Радиально-торцовое газодинамическое уплотнение масляной полости опор роторов турбомашин Российский патент 2017 года по МПК F02C7/28 F16J15/34 

Изобретение относится к уплотнительной технике и может быть использовано для уплотнения масляной полости опор роторов турбомашин и газотурбинных двигателей.

Известно радиально-торцовое контактное уплотнение (см. а.с. СССР №15537774, МПК F16J 15/34, 9/14. Радиально-торцовое контактное уплотнение / А.И. Белоусов, С.В. Фалалеев, В.Б. Балякин, С.П. Сорока. - Опуб. 30.03.90. Бюл. №12), содержащее вращающуюся втулку, разрезное графитовое уплотнительное кольцо, контактирующее торцовой поверхностью с втулкой, а радиальной поверхностью - с корпусом, и устройство регулирования усилия прижатия уплотнительного кольца к корпусу, выполненное в виде пазов в уплотнительном кольце со стороны разрезов, в которые установлен элемент из пористого упругодемпфирующего материала.

Известно радиально-торцовое контактное уплотнение (см. а.с. СССР №1425401, МПК F16J 15/34. Радиально-торцовое контактное уплотнение / А.И. Белоусов, В.А. Зрелов, С.В. Фалалеев, В.Б. Балякин, Р.В. Харламов. - Опуб. 23.09.88. Бюл. №35), содержащее вращающуюся втулку, разрезное графитовое уплотнительное кольцо, контактирующее торцовой поверхностью с втулкой, а радиальной поверхностью - с корпусом, и кольцо из материала с большим коэффициентом теплового линейного расширения, расположенное концентрично с натягом внутри разрезного графитового уплотнительного кольца, с упором в торец этого кольца, причем разрезное графитовое уплотнительное кольцо прижато к корпусу упругими силами этих колец и давлением воздуха в предмасляной полости опоры, а к торцовой поверхности втулки - этим давлением воздуха, и предмасляная полость опоры уплотнена лабиринтным уплотнением, образованным лабиринтным кольцом, закрепленным на валу, и корпусом.

Общими недостатками этих конструкций является то, что на рабочих режимах турбомашины при высоких рабочих температурах вследствие большой разницы в величинах коэффициента теплового линейного расширения материалов корпуса и уплотнительного кольца в разрезе уплотнительного кольца появляется зазор, через который происходит утечка масла из масляной полости опоры, и высока интенсивность износа уплотнительного кольца вследствие относительно высокой величины коэффициента трения скольжения на контактных поверхностях этого кольца и вращающейся втулки.

Кроме того, у уплотнения по а. с. СССР №15537774 утечка масла происходит и через вставку из пористого материала.

Известно также торцовое газодинамическое уплотнение фирмы John Crane тип 28ST (https://www.com/~/media/J/Johncrane_Files/Products/Specification%20Sheets/S_28ST.pdf, информационный материал прилагается). Уплотнение содержит невращающееся подвижное в осевом направлении уплотнительное кольцо, прижатое пружинами к вращающейся втулке, на рабочем торце которой выполнены газодинамические камеры в виде спиральных канавок, а также вторичное уплотнение из трех сегментных графитовых колец, обжатых браслетными пружинами и расположенных друг относительно друга таким образом, чтобы взаимно перекрыть разрезы графитовых колец. Это позволяет использовать уплотнение при температуре уплотняемой среды до 400°С.

Недостатком конструкции данного уплотнения является наличие разгерметизации во вторичном уплотнении при повышении температуры уплотняемой среды, так как из-за различия коэффициентов температурного линейного расширения материала корпуса и графита нарушится концентричность соприкасаемых поверхностей корпуса и графитовых колец и увеличатся зазоры между торцами сегментов графитовых колец. Также это приведет к повышенному изнашиванию графитовых колец по внутреннему диаметру при частой смене температурного режима, что характерно для авиационных газотурбинных двигателей.

Цель изобретения - повышение эффективности и ресурса торцового уплотнения при повышенной температуре уплотняемой среды.

Радиально-торцовое контактное уплотнение по а.с. СССР №1425401, МПК F16J 15/34 по технической сущности наиболее близко к предлагаемому изобретению и принято за прототип.

Ставится задача создания конструкции радиально-торцового газодинамического уплотнения (РТГДУ) опор роторов турбомашин с меньшими, чем у известных конструкций радиально-торцовых контактных уплотнений (РТКУ) утечками масла и интенсивностью износа контактных поверхностей уплотнительного кольца, т.е. с большей, чем у известных РТКУ, наработкой до замены уплотнительного кольца.

Поставленная задача решается тем, что предлагается радиально-торцовое газодинамическое уплотнение масляной полости опор роторов турбомашин, содержащее крышку масляной полости опоры, изготовленную из магниевого или титанового сплава, размещенные в ней: газодинамическое уплотнение, уплотняющее масляную полость опоры, содержащее корпус газодинамического уплотнения, закрепленный в крышке масляной полости опоры, невращающееся подвижное в осевом направлении разрезное уплотнительное кольцо, прижимаемое давлением воздуха, или давлением воздуха и пружинами, или пружиной к закрепленной на валу вращающейся втулке, на рабочем торце которой выполнены спиральные газодинамические камеры, и контактирующее цилиндрической поверхностью с корпусом газодинамического уплотнения, к которому оно прижато упругими силами этого кольца и давлением воздуха в предмасляной полости опоры, лабиринтное уплотнение, уплотняющее предмасляную полость опоры, образованное закрепленным на валу лабиринтным кольцом, и закрепленным в крышке масляной полости корпусом лабиринтного уплотнения с закрепленной в нем уплотняющей вставкой из вырабатываемого материала, а стыки корпусов обоих уплотнений с крышкой масляной полости опоры уплотнены резиновыми уплотнительными кольцами, отличающееся тем, что разрезное уплотнительное кольцо изготовлено с радиальным разрезом с шириной более 100 мкм, выполненным лазерной резкой, и ширина разреза выполнена такой, чтобы при требуемой величине натяга между разрезным уплотнительным кольцом и корпусом газодинамического уплотнения, обеспечивающей, во-первых, герметичность этого стыка на всех режимах работы турбомашины и, во-вторых, отсутствие непосредственного контакта разрезного уплотнительного кольца с вращающейся втулкой на всех режимах работы турбомашины с оборотами, большими и приблизительно равными 500 об/мин, зазор в разрезе уплотнительного кольца оставался полностью выбранным на всех режимах работы турбомашины, а во вращающейся втулке выполнены сквозные отверстия, соединяющие зазор между торцами вращающейся втулки и уплотнительного кольца с масляной ванной, образованной отбортовкой, выполненной на другом торце вращающейся втулки, равнорасположенные по окружности между спиральными камерами или непосредственно в спиральных камерах, и разрезное уплотнительное кольцо выполнено из бронзы БрС30, а корпус газодинамического уплотнения из стали с коэффициентом теплового линейного расширения а⋅10⁶=15,5÷17,5 (18÷19) 1/°С, близким к величине коэффициента теплового линейного расширения этой бронзы, и корпус лабиринтного уплотнения выполнен из стали с коэффициентом теплового линейного расширения а⋅10⁶=9÷12 1/°С, близким по величине коэффициенту теплового линейного расширения титанового сплава, а лабиринтное кольцо - из стали с коэффициентом теплового линейного расширения, близким по величине коэффициенту теплового линейного расширения стали вала, и при изготовлении крышки масляной полости опоры из магниевого сплава корпус газодинамического уплотнения крепится к ней с центрированием по цилиндрической поверхности с помощью шпилек, шайб и самоконтрящихся гаек, а корпус лабиринтного уплотнения крепится к ней с большим натягом по цилиндрической поверхности с помощью шпилек, упругих шайб и самоконтрящихся гаек, а при изготовлении ее из титанового сплава корпус газодинамического уплотнения крепится к ней с центрированием и натягом по цилиндрической поверхности с помощью шпилек, упругих шайб и самоконтрящихся гаек, а корпус лабиринтного уплотнения крепится к ней с центрированием по цилиндрической поверхности с помощью шпилек, шайб и самоконтрящихся гаек, и между шпильками и ответными отверстиями в корпусах обоих уплотнений имеется зазор, исключающий опасный контакт между шпильками и стенками этих отверстий при тепловом расширении этих деталей, а жесткость упругих шайб подобрана таким образом, что при их полном выпрямлении при затяжке самоконтрящихся гаек на их контактных поверхностях создаются силы трения, преодолимые при тепловом расширении этих деталей без возникновения опасных напряжений в них и непреодолимые при воздействии на разрезное уплотнительное кольцо рабочих скручивающих моментов.

Здесь под величиной коэффициента теплового линейного расширения, близкой к величине этого коэффициента стали, из которой изготовлен вал, понимается величина коэффициента теплового линейного расширения, отличающаяся от него не более, чем на 2-4 1/°С.

Разрезное уплотнительное кольцо прогревается до той же температуры, что и корпус газодинамического уплотнения. При этом вследствие малого отличия в рабочем диапазоне температур (100÷200°С) величин коэффициентов теплового линейного расширения этих деталей практически не происходит изменения величины натяга между разрезным уплотнительным кольцом и контактирующим с ним корпусом газодинамического уплотнения, и, следовательно, не происходит раззазоривания в стыке между ними и в разрезе уплотнительного кольца.

Коэффициент теплового линейного расширения крышки масляной полости опоры, изготовленной из магниевого сплава, также мало отличается от этого коэффициента корпуса газодинамического уплотнения, и поэтому не происходит раззазоривания герметичного стыка между этими деталями и нарушение центрирования корпуса газодинамического уплотнения по крышке масляной полости опоры. Вследствие достаточно небольшого отличия коэффициентов теплового линейного расширения кольца лабиринтного уплотнения и корпуса лабиринтного уплотнения мало изменяется величина рабочего зазора в нем и, следовательно, мало изменяются величины утечек воздуха через него.

С ростом рабочей температуры вследствие большой разницы величин коэффициентов теплового линейного расширения материала крышки и корпуса лабиринтного уплотнения (эти величины в рабочих диапазонах температур могут отличаться почти в два раза) радиальный натяг в соединении этих деталей сильно уменьшится или исчезнет, но надежность (взаимная неподвижность) этого соединения в рабочем диапазоне температур будет обеспечена затяжкой самоконтрящихся гаек и упругих шайб, а герметичность этого соединения - еще достаточно большим натягом резинового уплотнительного кольца.

Коэффициент теплового линейного расширения крышки масляной полости опоры из титанового сплава почти в два раза меньше этого коэффициента корпуса газодинамического уплотнения. Поэтому при росте температуры натяг между поверхностями, по которым корпус газодинамического уплотнения центрируется по крышке масляной полости, может полностью исчезнуть и может даже образоваться зазор. Натяг по уплотнительному резиновому кольцу, установленному в этом стыке, больше величины зазора, образующегося в этом стыке в рабочем диапазоне температур. Поэтому разгерметизации стыка не произойдет, а надежность (взаимная неподвижность) этого соединения в рабочем диапазоне температур также будет обеспечена затяжкой самоконтрящихся гаек и упругих шайб. Для обеспечения большей надежности герметизации этого стыка в него может быть поставлено еще одно уплотнительное резиновое кольцо.

Вследствие небольшого отличия величин коэффициентов теплового линейного расширения крышки масляной полости опоры из титанового сплава и корпуса лабиринтного уплотнения надежность и герметичность соединения этих деталей обеспечивается и без использования упругих шайб.

Требуемая ширина разреза разрезного уплотнительного кольца в ряде случаев может оказаться меньше 1 мм. Причем должна быть обеспечена высокая точность этого размера и формы разреза, высокая чистота поверхностей в разрезе и очень незначительная зона у разреза, где допустимо некоторое изменение свойств металла кольца. Все эти условия могут быть выполнены при резке лазером на серийно выпускаемых установках при должном подборе мощности лазера, фокусности его луча и газовой среде, в которой происходит резка.

При вращении ротора газодинамические спиральные камеры обеспечивают бесконтактную работу уплотнения на всех режимах с оборотами, большими и приблизительно равными 500 об/мин, благодаря чему износ разрезного уплотнительного кольца и вращающейся втулки на этих режимах будет исключен или незначителен.

При работе турбомашины на режимах с оборотами, меньшими 500 об/мин, например на переходных режимах, при останове и запуске турбомашины разрезное уплотнительное кольцо и вращающаяся втулка хотя и находятся в непосредственном контакте, но контактируют по хорошо смазываемым маслом поверхностям, поступающим в зону контакта под действием центробежных сил из масляной ванны через отверстия во вращающейся втулке, и равномерно размазываемым по ним при вращении втулки.

Коэффициент трения скольжения бронзы БрС30 по стали при смазке по одному источнику (см. Интернет, Справочник конструктора-машиностроителя, sprav-constr.ru/htm/tom1/pages/chapter1/ckm18.html) равен μ=0,004, а по другому источнику (см. Интернет, Марочник металлов, metallicheckiy-portal/ru/marki_metallov/broBrS30) μ=0,009, т.е. в 4,5÷10 раз меньше коэффициента трения скольжения графита, из которого делают разрезные уплотнительные кольца известных конструкций РТКУ (радиально-торцового уплотнения), по стали при смазанных контактных поверхностях.

Благодаря столь низкому коэффициенту трения скольжения пары «разрезное уплотнительное кольцо - вращающаяся втулка» интенсивность износа этих деталей на этих режимах также будет очень низкой, и, следовательно, ресурс работы предлагаемого радиально-торцового газодинамического уплотнения будет высоким.

Описанными качествами и обеспечивается высокая эффективность предлагаемого радиально-торцового газодинамического уплотнения.

Предлагается также радиально-торцовое газодинамическое уплотнение масляной полости опор роторов турбомашин, отличающееся тем, что между титановой крышкой масляной полости опоры и стальным корпусом уплотнения с натягом по цилиндрической поверхности крышки, обеспечивающим герметичность этого стыка во всем рабочем диапазоне температур, установлена проставка, изготовленная из стали с коэффициентом теплового линейного расширения а⋅10⁶=9÷12 1/°С, близким к значению этого коэффициента у титанового сплава, и корпус газодинамического уплотнения центрируется по проставке, а одно или два уплотнительных резиновых кольца в этом случае установлены встык между цилиндрическими поверхностями корпуса газодинамического уплотнения и проставки.

Детали из титанового сплава плохо работают на трение. При тепловом расширении крышки масляной полости опоры и корпуса газодинамического уплотнения корпус уплотнения будет расширяться больше и будет упруго проскальзывать с сухим трением по контактирующему с ним торцу крышки. В большинстве практических случаев это вполне допустимо. В случаях, когда это не допустимо, предлагается между крышкой масляной полости опоры и корпусом газодинамического уплотнения с натягом по крышке ставить проставку, изготовленную из стали с коэффициентом теплового линейного расширения, мало отличающимся от этого коэффициента титанового сплава, из которого изготовлена крышка. В этом случае проставка практически не будет проскальзывать относительно крышки, а корпус газодинамического уплотнения будет упруго проскальзывать с сухим трением по контактирующему с ним торцу стальной проставки.

Кроме того, предлагается радиально-торцовое газодинамическое уплотнение масляной полости опор роторов турбомашин, отличающееся тем, что пружина выполнена в виде однослойной или многослойной гофрированной шайбы, набранной «гофр в гофр» из нескольких гофрированных шайб, установленной с заданным натягом между разрезным уплотнительным кольцом и корпусом газодинамического уплотнения таким образом, что вершины гофров гофрированной шайбы располагаются в ответных выемках корпуса газодинамического уплотнения и разрезного уплотнительного кольца, а сами выемки спрофилированы так, что не препятствуют деформации гофрированной шайбы в направлении ее продольной оси, но фиксируют ее разрезное уплотнительное кольцо от проворота относительно корпуса газодинамического уплотнения.

Предлагаемые конструкции радиально-торцового газодинамического уплотнения масляной полости опор роторов турбомашин поясняются фигурами. Детали опоры ротора, не относящиеся к уплотнению и не описанные в описании, показаны тонкой сплошной линией, как «обстановка» на сборочном чертеже.

На фиг. 1 изображен продольный разрез предлагаемого радиально-торцового газодинамического уплотнения опоры ротора турбомашины, у которого разрезное уплотнительное кольцо поджимается к вращающейся втулке только давлением воздуха в предмасляной полости опоры ротора.

На фиг. 2 изображен вид по стр. А на фиг. 1 на торцовую поверхность вращающейся втулки, у которой сквозные отверстия, подающие масло для смазки этой поверхности, расположены в спиральных камерах. Стрелкой показано направление вращения втулки.

На фиг. 3 изображен вид по стр. А на фиг. 1 на торцовую поверхность вращающейся втулки, у которой сквозные отверстия, подающие масло для смазки этой поверхности, расположены между спиральными камерами.

На фиг. 4 изображен фрагмент предлагаемого радиально-торцового газодинамического уплотнения опоры ротора турбомашины для варианта с крышкой масляной полости опоры, изготовленной из титанового сплава, с двумя уплотнительными резиновыми кольцами в стыке крышки и корпуса газодинамического уплотнения.

На фиг. 5 изображен продольный разрез предлагаемого радиально-торцового газодинамического уплотнения опоры ротора турбомашины, у которого разрезное уплотнительное кольцо поджимается к вращающейся втулке не только давлением воздуха в предмасляной полости опоры ротора, но и пружинами сжатия, равнорасположенными по окружности в гнездах корпуса уплотнения и разрезного уплотнительного кольца.

На фиг. 6 изображен продольный разрез предлагаемого радиально-торцового газодинамического уплотнения опоры ротора турбомашины, у которого разрезное уплотнительное кольцо поджимается к вращающейся втулке не только давлением воздуха в предмасляной полости опоры ротора, но и пружиной, выполненной в виде однослойной или многослойной гофрированной шайбы, с корпусом опоры из титанового сплава со стальной проставкой, установленной между корпусами опоры и уплотнения, и двумя уплотнительными резиновыми кольцами в стыке между проставкой и корпусом уплотнения.

На фиг. 7 изображен вид по стр. Б на фиг. 6 на гофрированную пружину, крышку масляной полости опоры и разрезное уплотнительное кольцо. Изображение увеличено.

Предлагаемое радиально-торцовое газодинамическое уплотнение масляной полости опор роторов турбомашин (см. фиг. 1) содержит крышку масляной полости опоры 1, изготовленную из магниевого или титанового сплава, размещенные в ней: газодинамическое уплотнение 2, уплотняющее масляную полость опоры 3, содержащее корпус газодинамического уплотнения 4, закрепленный в крышке масляной полости опоры 1, невращающееся подвижное в осевом направлении разрезное уплотнительное кольцо 5, прижимаемое давлением воздуха или давлением воздуха и пружинами 6 (см. фиг. 5) или пружиной 7 (см. фиг. 5) к закрепленной на валу 8 вращающейся втулке 9, на рабочем торце 10 которой (см. фиг. 1 и 2) выполнены спиральные газодинамические камеры 11, и контактирующее цилиндрической поверхностью с корпусом газодинамического уплотнения 4, к которому оно прижато упругими силами этого кольца и давлением воздуха в предмасляной полости опоры 12 (см. фиг. 1), лабиринтное уплотнение 13, уплотняющее предмасляную полость опоры 12, образованное закрепленным на валу 8 лабиринтным кольцом 14, и закрепленным в крышке масляной полости 1 корпусом лабиринтного уплотнения 15 с закрепленной в нем уплотняющей вставкой 16 из вырабатываемого материала. Стыки корпусов 4 и 15 с крышкой масляной полости опоры 1 уплотнены резиновыми уплотнительными кольцами 17. Разрезное уплотнительное кольцо 5 изготовлено с радиальным разрезом с шириной более 100 мкм, выполненным лазерной резкой, и ширина разреза выполнена такой, чтобы при требуемой величине натяга между разрезным уплотнительным кольцом 5 и корпусом газодинамического уплотнения 4, обеспечивающей, во-первых, герметичность этого стыка на всех режимах работы турбомашины и, во-вторых, отсутствие непосредственного контакта разрезного уплотнительного кольца 5 с вращающейся втулкой 9 на всех режимах работы турбомашины с оборотами, большими и приблизительно равными 500 об/мин, зазор в разрезе уплотнительного кольца 5 оставался полностью выбранным на всех режимах работы турбомашины. На торце разрезного уплотнительного кольца 5 выполнен прямоугольный выступ 18, входящий в ответный паз 19 в корпусе газодинамического уплотнения 4 и фиксирующий кольцо 5 от проворота. Во вращающейся втулке 9 выполнены сквозные отверстия 20 (см. фиг. 1 и 2), соединяющие зазор 21 между торцами вращающейся втулки 9 и уплотнительного кольца 5 с масляной ванной 22, образованной отбортовкой 23, выполненной на другом торце вращающейся втулки 9, равнорасположенные по окружности непосредственно в спиральных камерах 11 или между спиральными камерами 11 (см. фиг. 3). Разрезное уплотнительное кольцо 5 выполнено из бронзы БрС30 (см. фиг. 1), а корпус газодинамического уплотнения 4 из стали с коэффициентом теплового линейного расширения а⋅10⁶=15,5÷17,5 (18÷19) 1/°С, близким к величине коэффициента теплового линейного расширения этой бронзы. Корпус лабиринтного уплотнения 15 выполнен из стали с коэффициентом теплового линейного расширения а⋅10⁶=9÷12 1/°С, близким по величине коэффициенту теплового линейного расширения титанового сплава, а лабиринтное кольцо 14 - из стали с коэффициентом теплового линейного расширения, близким по величине коэффициенту теплового линейного расширения стали вала 8. Крышка масляной полости опоры 1 может быть изготовлена из магниевого или титанового сплава. При изготовлении крышки масляной полости опоры 1 из магниевого сплава корпус газодинамического уплотнения 4 крепится к ней с центрированием по цилиндрической поверхности с помощью шпилек 24, шайб 25 и самоконтрящихся гаек 26, а корпус лабиринтного уплотнения 15 крепится к ней с большим натягом по цилиндрической поверхности с помощью шпилек 24, упругих шайб 27 и самоконтрящихся гаек 26. При изготовлении крышки 1 из титанового сплава корпус газодинамического уплотнения 4 крепится к ней с центрированием и натягом по цилиндрической поверхности с помощью шпилек 24, упругих шайб 27 и самоконтрящихся гаек 26, а корпус лабиринтного уплотнения 15 крепится к ней с центрированием по цилиндрической поверхности с помощью шпилек 24, шайб 25 и самоконтрящихся гаек 26. Между шпильками 24 и ответными отверстиями в корпусах 4 и 15 обоих уплотнений имеется зазор 28 (см. фиг. 4), исключающий опасный контакт между шпильками 24 и стенками этих отверстий при тепловом расширении этих деталей. Жесткость упругих шайб 27 подобрана таким образом, что при их полном выпрямлении при затяжке самоконтрящихся гаек 26 на их контактных поверхностях создаются силы трения, преодолимые при тепловом расширении этих деталей без возникновения опасных напряжений в них и непреодолимые при воздействии на разрезное уплотнительное кольцо рабочих скручивающих моментов. При изготовлении крышки масляной полости опоры 1 из титанового сплава в стык, образованный цилиндрическими поверхностями, по которым центрируется корпус газодинамического уплотнения 4, может быть установлено еще одно уплотнительное резиновое кольцо 17.

В варианте конструкции радиально-торцового газодинамического уплотнения (см. фиг. 5) разрезное уплотнительное кольцо 5 прижимается к вращающейся втулке 9 не только давлением воздуха в предмасляной полости опоры ротора 12, но и пружинами сжатия 6, равнорасположенными по окружности в гнездах 30 корпуса газодинамического уплотнения 4 и разрезного уплотнительного кольца 5. При этом в некоторых случаях выступ 18 на торце уплотнительного кольца 5 (см. фиг. 1) и паз 19 в корпусе уплотнения 4 могут не выполняться, а фиксирование разрезного уплотнительного кольца 5 от проворота осуществляется пружинами 6.

Предложено также радиально-торцовое газодинамическое уплотнение масляной полости опор роторов турбомашин (см. фиг. 6), отличающееся тем, что между титановой крышкой масляной полости опоры 1 и стальным корпусом газодинамического уплотнения 4 с натягом по цилиндрической поверхности крышки 1, обеспечивающим герметичность этого стыка во всем рабочем диапазоне температур, может быть установлена проставка 29, изготовленная из стали с коэффициентом теплового линейного расширения а⋅10⁶=(9÷12) 1/°С, близким к значению этого коэффициента у титанового сплава, и корпус газодинамического уплотнения 4 центрируется по проставке 29, а одно или два уплотнительных резиновых кольца 17 в этом случае установлены встык между цилиндрическими поверхностями корпуса газодинамического уплотнения 4 и проставки 29.

Кроме того, предложено радиально-торцовое газодинамическое уплотнение масляной полости опор роторов турбомашин (см. фиг. 6), отличающееся тем, что пружина 7 выполнена в виде однослойной или многослойной гофрированной шайбы, набранной «гофр в гофр» из нескольких гофрированных шайб 31, установленной с заданным натягом между разрезным уплотнительным кольцом 5 и корпусом газодинамического уплотнения 4 таким образом, что вершины гофров 32 (см. фиг. 7) гофрированной шайбы 7 располагаются в ответных выемках 33 корпуса газодинамического уплотнения 4 и разрезного уплотнительного кольца 5. Сами выемки 33 спрофилированы так, что не препятствуют деформации гофрированной шайбы 7 в направлении ее продольной оси, но фиксируют ее и разрезное уплотнительное кольцо 5 от проворота относительно корпуса газодинамического уплотнения 4.

Сборка предлагаемого радиально-торцового газодинамического уплотнения ясна из описания и фигур и не описывается.

Радиально-торцовое газодинамическое уплотнение служит для снижения утечек масла из масляной полости опоры ротора 3 (см. фиг. 1) в предмасляную полость 12, которые суфлируются (на фиг. не показано).

При работе турбомашины газодинамические камеры 11 обеспечивают бесконтактную работу радиально-торцового уплотнения, начиная приблизительно с 500 об/мин. Форсунки 36 подают масло в масляную ванну 22 под отбортовку 23. Это обеспечивает охлаждение вращающейся втулки 9 и прокачку масла под действием центробежных сил через отверстия 20 в зазор 21, откуда оно центробежными силами и давлением воздуха в зазоре выбрасывается снова в масляную полость опоры ротора 3, чем и обеспечивается герметичность в паре «вращающаяся втулка - разрезное уплотнительное кольцо». Одинаковость температур на всех рабочих режимах турбомашины разрезного уплотнительного кольца 5 и корпуса газодинамического уплотнения 4 в месте их контакта и близкие значения их коэффициентов теплового линейного расширения исключает раззазоривание в контакте этих деталей и в радиальном разрезе кольца 5, что обеспечивает герметичность соединения этих деталей и при осевых смещениях уплотнительного кольца 5 относительно корпуса 4.

При останове или разгоне турбомашины или ее работе на переходных режимах с оборотами, меньшими 500 об/мин, разрезное уплотнительное кольцо 5 находится в непосредственном контакте с вращающейся втулкой 9 и радиально-торцовое газодинамическое уплотнение работает как РТКУ. При этом контактирующие поверхности хорошо смазываются маслом, подаваемым под действием центробежных сил из масляной ванны 22 через отверстия 20 и вращающейся втулкой 9, размазываемом по контактным поверхностям и далее под действием центробежных сил выбрасываемым обратно в масляную полость опоры 3. Ввиду чрезвычайно малого коэффициента трения скольжения на контактных поверхностях этой пары (см. выше) теплота трения, выделяемая в контакте этой пары и на этих режимах работы турбомашины, не велика. К тому же эта пара трения хорошо охлаждается маслом, омывающим вращающуюся втулку 9 с обратной стороны и уплотнительное кольцо 5 снаружи. Поэтому и на этих режимах исключен перегрев деталей газодинамического уплотнения (особенно уплотнительного кольца 5 и вращающейся втулки 9) и обеспечена герметичность и надежность работы предлагаемого радиально-торцового газодинамического уплотнения. Другие преимущества предлагаемых уплотнений описаны выше.

Радиально-торцовое газодинамическое уплотнение масляной полости опор роторов турбомашин, содержащее крышку масляной полости опоры, изготовленную из магниевого или титанового сплава, размещенные в ней: газодинамическое уплотнение, уплотняющее масляную полость опоры, содержащее корпус газодинамического уплотнения, закрепленный в крышке масляной полости опоры, невращающееся подвижное в осевом направлении разрезное уплотнительное кольцо, прижимаемое давлением воздуха, или давлением воздуха и пружинами, или пружиной к закрепленной на валу вращающейся втулке, на рабочем торце которой выполнены спиральные газодинамические камеры, и контактирующее цилиндрической поверхностью с корпусом газодинамического уплотнения, к которому оно прижато упругими силами этого кольца и давлением воздуха в предмасляной полости опоры, лабиринтное уплотнение, уплотняющее предмасляную полость опоры, образованное закрепленным на валу лабиринтным кольцом, и закрепленным в крышке масляной полости корпусом лабиринтного уплотнения с закрепленной в нем уплотняющей вставкой из вырабатываемого материала, а стыки корпусов обоих уплотнений с крышкой масляной полости опоры уплотнены резиновыми уплотнительными кольцами. Разрезное уплотнительное кольцо изготовлено с радиальным разрезом с шириной более 100 мкм. Ширина разреза выполнена такой, что обеспечивает герметичность стыка и отсутствие непосредственного контакта разрезного уплотнительного кольца с вращающейся втулкой на всех режимах работы турбомашины с оборотами, большими 500 об/мин. Зазор в разрезе уплотнительного кольца остается полностью выбранным на всех режимах работы турбомашины. Во вращающейся втулке выполнены сквозные отверстия, соединяющие зазор между торцами вращающейся втулки и уплотнительного кольца с масляной ванной, образованной отбортовкой, выполненной на другом торце вращающейся втулки, равнорасположенные по окружности между спиральными камерами или непосредственно в спиральных камерах. Разрезное уплотнительное кольцо выполнено из бронзы БрС30, а корпус газодинамического уплотнения из стали с близким коэффициентом теплового линейного расширения. Корпус лабиринтного уплотнения выполнен из стали с близким по величине коэффициентом теплового линейного расширения к титановому сплаву, а лабиринтное кольцо - из стали с близким по величине коэффициентом теплового линейного расширения к стали вала. Между шпильками и ответными отверстиями в корпусах обоих уплотнений имеется зазор, исключающий опасный контакт между шпильками и стенками этих отверстий при тепловом расширении этих деталей, а жесткость упругих шайб подобрана таким образом, что при их полном выпрямлении при затяжке самоконтрящихся гаек на их контактных поверхностях создаются силы трения, преодолимые при тепловом расширении этих деталей без возникновения опасных напряжений в них и непреодолимые при воздействии на разрезное уплотнительное кольцо рабочих скручивающих моментов. Достигается повышение эффективности и ресурса уплотнения при повышенной температуре уплотняемой среды. 2 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Радиально-торцовое газодинамическое уплотнение масляной полости опор роторов турбомашин, содержащее крышку масляной полости опоры, изготовленную из магниевого или титанового сплава, размещенные в ней: газодинамическое уплотнение, уплотняющее масляную полость опоры, содержащее корпус газодинамического уплотнения, закрепленный в крышке масляной полости опоры, невращающееся подвижное в осевом направлении разрезное уплотнительное кольцо, прижимаемое давлением воздуха, или давлением воздуха и пружинами, или пружиной к закрепленной на валу вращающейся втулке, на рабочем торце которой выполнены спиральные газодинамические камеры, и контактирующее цилиндрической поверхностью с корпусом газодинамического уплотнения, к которому оно прижато упругими силами этого кольца и давлением воздуха в предмасляной полости опоры, лабиринтное уплотнение, уплотняющее предмасляную полость опоры, образованное закрепленным на валу лабиринтным кольцом, и закрепленным в крышке масляной полости корпусом лабиринтного уплотнения с закрепленной в нем уплотняющей вставкой из вырабатываемого материала, а стыки корпусов обоих уплотнений с крышкой масляной полости опоры уплотнены резиновыми уплотнительными кольцами, отличающееся тем, что разрезное уплотнительное кольцо изготовлено с радиальным разрезом с шириной более 100 мкм, выполненным лазерной резкой, и ширина разреза выполнена такой, чтобы при требуемой величине натяга между разрезным уплотнительным кольцом и корпусом газодинамического уплотнения, обеспечивающей, во-первых, герметичность этого стыка на всех режимах работы турбомашины и, во-вторых, отсутствие непосредственного контакта разрезного уплотнительного кольца с вращающейся втулкой на всех режимах работы турбомашины с оборотами, большими и приблизительно равными 500 об/мин, зазор в разрезе уплотнительного кольца оставался полностью выбранным на всех режимах работы турбомашины, а во вращающейся втулке выполнены сквозные отверстия, соединяющие зазор между торцами вращающейся втулки и уплотнительного кольца с масляной ванной, образованной отбортовкой, выполненной на другом торце вращающейся втулки, равнорасположенные по окружности между спиральными камерами или непосредственно в спиральных камерах, и разрезное уплотнительное кольцо выполнено из бронзы БрС30, а корпус газодинамического уплотнения из стали с коэффициентом теплового линейного расширения а⋅10⁶=15,5÷17,5 (18÷19) 1/°С, близким к величине коэффициента теплового линейного расширения этой бронзы, и корпус лабиринтного уплотнения выполнен из стали с коэффициентом теплового линейного расширения а⋅10⁶=9÷12 1/°С, близким по величине коэффициенту теплового линейного расширения титанового сплава, а лабиринтное кольцо - из стали с коэффициентом теплового линейного расширения, близким по величине коэффициенту теплового линейного расширения стали вала, и при изготовлении крышки масляной полости опоры из магниевого сплава корпус газодинамического уплотнения крепится к ней с центрированием по цилиндрической поверхности с помощью шпилек, шайб и самоконтрящихся гаек, а корпус лабиринтного уплотнения крепится к ней с большим натягом по цилиндрической поверхности с помощью шпилек, упругих шайб и самоконтрящихся гаек, а при изготовлении ее из титанового сплава корпус газодинамического уплотнения крепится к ней с центрированием и натягом по цилиндрической поверхности с помощью шпилек, упругих шайб и самоконтрящихся гаек, а корпус лабиринтного уплотнения крепится к ней с центрированием по цилиндрической поверхности с помощью шпилек, шайб и самоконтрящихся гаек, и между шпильками и ответными отверстиями в корпусах обоих уплотнений имеется зазор, исключающий опасный контакт между шпильками и стенками этих отверстий при тепловом расширении этих деталей, а жесткость упругих шайб подобрана таким образом, что при их полном выпрямлении при затяжке самоконтрящихся гаек на их контактных поверхностях создаются силы трения, преодолимые при тепловом расширении этих деталей без возникновения опасных напряжений в них и непреодолимые при воздействии на разрезное уплотнительное кольцо рабочих скручивающих моментов.

2. Радиально-торцовое газодинамическое уплотнение масляной полости опор роторов турбомашин по п. 1, отличающееся тем, что между титановой крышкой масляной полости опоры и стальным корпусом уплотнения с натягом по цилиндрической поверхности крышки, обеспечивающим герметичность этого стыка во всем рабочем диапазоне температур установлена проставка, изготовленная из стали с коэффициентом теплового линейного расширения а⋅10⁶=9÷12 1/°С, близким к значению этого коэффициента у титанового сплава, и корпус газодинамического уплотнения центрируется по проставке, а одно или два уплотнительных резиновых кольца в этом случае установлены встык между цилиндрическими поверхностями корпуса газодинамического уплотнения и проставки.

3. Радиально-торцовое газодинамическое уплотнение масляной полости опор роторов турбомашин по любому из пп. 1 и 2, отличающееся тем, что пружина выполнена в виде однослойной или многослойной гофрированной шайбы, набранной «гофр в гофр» из нескольких гофрированных шайб, установленной с заданным натягом между разрезным уплотнительным кольцом и корпусом газодинамического уплотнения таким образом, что вершины гофров гофрированной шайбы располагаются в ответных выемках корпуса газодинамического уплотнения и разрезного уплотнительного кольца, а сами выемки спрофилированы так, что не препятствуют деформации гофрированной шайбы в направлении ее продольной оси, но фиксируют ее и разрезное уплотнительное кольцо от проворота относительно корпуса газодинамического уплотнения.