КОЛЬЦЕВАЯ ЩЕТОЧНАЯ УПЛОТНИТЕЛЬНАЯ ПРОКЛАДКА Российский патент 2017 года по МПК F16J15/32 

Изобретение относится к кольцевой щеточной уплотнительной прокладке, обычно используемой для уплотнения между двумя отсеками турбореактивного двигателя (или газотурбинного двигателя), находящимися под повышенным давлением.

Турбореактивные двигатели содержат трубчатые отсеки, находящиеся под разным давлением. Через эти отсеки проходит единый вал ротора. Следовательно, на проходе вала между указанными отсеками необходимо обеспечить уплотнение между статором (конструкцией отсеков) и ротором (валом). Учитывая экстремальные условия окружающей среды этого типа (высокие температуры, сильные дифференциальные расширения между ротором и статором), в документе WO 2010/063269 предложено использовать щеточную прокладку. Щеточная прокладка обеспечивает уровень герметичности, достаточный для такого применения, может выдерживать высокие температуры, если она выполнена из соответствующих материалов, и характеризуется хорошей адаптацией к радиальным дифференциальным расширениям.

Согласно WO 2010/063269, щеточная прокладка в сечении состоит из центрального кольца, вокруг которого последовательно намотана сеть щетинок, и из обоймы С-образной формы, открытой на своем внутреннем диаметре; эта обойма предназначена для удержания и предохранения указанной сети щетинок. В другом варианте выполнения, представленном в документе FR 2692019, центральное кольцо заменено пружинной прокладкой, окруженной оболочками, которая, в свою очередь, описана в документе FR 2151186 и которая за счет своей упругости обеспечивает тесный контакт между С-образной обоймой и контактными поверхностями. Это представляет особый интерес, если щеточная прокладка находится между двумя разными участками отсеков: в этом случае она обеспечивает герметичность между двумя участками отсеков по отношению к среде, окружающей турбореактивный двигатель. В этом варианте выполнения С-образный профиль продолжен на своем внутреннем диаметре двумя параллельными пластинами, которые удерживают структуру сети щетинок как можно ближе к ротору, чтобы избегать растрепывания сети щетинок при контакте с указанным ротором.

Решения из WO 2010/063269 или FR 2692019 имеют общий недостаток: закрывание С-образного профиля необходимо осуществлять в зависимости от случаев либо посредством штамповки, либо посредством ротационной вытяжки, то есть при помощи процессов, которые по своему характеру приводят к большим размерным допускам. Эти большие допуска являются причиной ограничений при проектировании турбореактивного двигателя.

В документе ЕР-А-1203178 автор изобретения берет за основу конструкцию, в которой щеточная прокладка вместе с центральным кольцом и С-образной обоймой установлена в корпусе из двух частей, при этом соединение между двумя частями указанного корпуса предпочтительно осуществляют путем запрессовки. Преимуществом запрессованного корпуса является уменьшение геометрических допусков, но, с другой стороны, его наличие приводит к увеличению размера всего модуля щеточной прокладки, что затрудняет его установку в двигателе. Более того, высота этого корпуса зависит от первоначальной высоты С, то есть что касается высоты, то проблема больших допусков остается.

Наконец, во всех этих конструкциях не упоминается никакого элемента, однозначно обеспечивающего удержание щеточной прокладки во вращении. Это удержание систематически обеспечивают через осевое сжатие. Прекращение указанного осевого сжатия во время работы, например, по причине дифференциальных расширений, неизбежно приведет к прекращению указанного удержания во вращении.

Изобретением предлагается конструкция щеточной прокладки с уменьшенными внешними допусками и с уменьшенным габаритным размером. Речь идет о щеточной прокладке, из которой исключена С-образная структура вокруг сети щетинок и в которой сеть щетинок расположена непосредственно в наружном корпусе, закрываемом посредством запрессовки. По своей конструкции эта прокладка обеспечивает герметичность относительно наружного пространства между двумя разными участками отсеков, охватывающими указанную прокладку, даже в отсутствие С-образного профиля. Сюда можно также включить систему, обеспечивающую удержание прокладки во вращении в ее гнезде.

Прежде всего кольцевой корпус содержит первый участок, называемый «обоймой». В сечении эта обойма содержит цилиндрическую часть и радиальный загиб, направленный внутрь или наружу в зависимости от того, окружает ли корпус щетку или щетка окружает корпус; таким образом, это сечение имеет форму «L».

Внутренняя сторона указанного радиального загиба служит опорной стороной для композитной структуры, содержащей центральный сердечник, вокруг которого расположена сеть щетинок щеточной прокладки. Ориентация двух концов каждой щетинки совпадает с ориентацией указанного радиального загиба (внутрь или наружу). В конечном итоге структура имеет два диаметра: один диаметр, образованный концами щетинок и называемый в дальнейшем «диаметром щетки», и другой диаметр в зоне наматывания вокруг сердечника, называемый в дальнейшем «гладким диаметром».

Затем в нижнюю обойму вставляют второй участок корпуса, называемый «стопором», центрованный на цилиндрической части указанной обоймы. Внутренняя сторона этого стопора опирается на указанную композитную структуру. Осевое положение этого стопора в обойме ограничено осевым контактом, как правило, типа металл-металл, между двумя расположенными друг против друга плоскими поверхностями в каждой из двух деталей. За счет этого получают точный допуск по высоте корпуса. Положение этого контакта рассчитывают таким образом, чтобы получить легкое сжатие композитной структуры, что обеспечивает хорошее механическое удержание сети щетинок, в частности, за счет упругости пружины, которая является частью сердечника в некоторых предпочтительных вариантах осуществления изобретения. Надежность этого сжатия обеспечивается за счет указанного контакта металл-металл, и реактивное усилие пружины воспроизводится от одной детали к другой. Эта упругая реакция обеспечивает также надежность запрессовки в течение времени.

Верхний стопор может содержать на своей стороне, наружной относительно корпуса, часть, выступающую в осевом направлении. Закрывание корпуса производят путем запрессовки. Верх цилиндрической части загибают на выступающей части, что обеспечивает герметичность запрессовки. Таким образом, закрывают путь утечки, образующийся по причине отсутствия С-образной структуры вокруг сети щетинок. Одновременно оптимизируют габарит за счет исключения этой С-образной структуры.

Важным аспектом изобретения является оптимизация геометрии двух опорных поверхностей указанной композитной структуры. Как на обойме, так и на стопоре в осевом направлении выполняют вогнутые чашеобразные впадины на указанных радиальных загибах вместо выполнения прямолинейных опорных поверхностей. В разрезе они образуют форму дуги. Центр каждой из дуг предпочтительно находится на диаметре, идентичном среднему диаметру сердечника. Радиус каждой дуги равен или превышает наибольший диаметр сети щетинок после наматывания последней на сердечнике. Присутствие этих чашеобразных впадин обеспечивает автоматическую центровку композитной структуры в отличие от центровки по ее гладкому диаметру с менее точными допусками подгонки в корпусе. Улучшается также удержание во вращении сети, так как зона контакта между сетью и опорными сторонами не является точечной, а простирается на более значительной ширине.

При соединении, реализованном с таким усовершенствованием, можно оставить зазор между гладким диаметром композитной структуры и находящимся напротив диаметром нижней обоймы, причем это не ухудшает центровку композитной структуры в обойме. Во время запрессовки это позволяет избежать радиального контакта композитной структуры с обоймой во время сплющивания прокладки. Такой контакт мог бы привести к значительному повышению жесткости сердечника, если он является упругим и гибким, и по сути мог бы привести к разрыву запрессовки.

После сборки прокладка имеет две наружные плоские поверхности. Это позволяет, в случае необходимости, вставить устройство против проворачивания прокладки в ее гнезде, такое как глухое отверстие, в которое вставляют шплинт длиной, превышающей глубину указанного отверстия. После установки шплинта он будет выступать из отверстия и может зайти в отверстие гнезда прокладки для конечного обеспечения удержания во вращении.

В предпочтительном варианте выполнения как стопор, так и обойма содержат кольцевой бортик в виде радиального выступа, ориентированный в том же направлении, что и концы щетинок. Эти выступы обжимают сеть щетинок и позволяют удерживать сеть щетинок вблизи ее концов (в зоне контакта с ротором) и, следовательно, избегать растрепывания указанной сети во время работы прокладки. Обеспечивается также возможность контроля толщины сети щетинок за счет вышеуказанного контакта металл-металл, что позволяет оптимизировать эффективность уплотнения при помощи полученной таким образом щетки.

Эти выступы могут быть закругленными на конце зоны контакта со щетинками, чтобы ограничить сдвиг и риск их излома, если они подвергаются осевому изгибу в сторону указанных выступов.

Гладкий диаметр корпуса (противоположно щетке) можно подвергнуть механической обработке, чтобы обеспечить его плотную посадку в гнездо и оптимизировать герметичность между прокладкой и указанным гнездом.

Наконец, в некоторых случаях сердечник можно выбирать достаточно гибким, чтобы избегать чрезмерной жесткости, которая могла бы помешать запрессовке или могла бы привести к чрезмерному сплющиванию щетинок. Такой гибкий сердечник может содержать только открытую кольцевую оболочку с С-образным сечением вместо того, чтобы указанную оболочку оснащать спиральной пружиной.

Другие преимущества и отличительные признаки изобретения будут более очевидны из нижеследующего описания варианта его осуществления, представленного в качестве примера, со ссылками на прилагаемые чертежи.

На фиг. 1 показана прокладка в соответствии с изобретением в данном случае со щеткой на ее внутреннем диаметре, вид в разрезе;

на фиг. 2 показана щеточная прокладка, вид в перспективе;

на фиг. 3 показан щеточная прокладка, вид в изометрии в разрезе.

Представленная щеточная прокладка является кольцевой и выполнена вокруг центральной оси 23. Она содержит нижнюю обойму 1 (если рассматривать изображение, представленное на чертежах). Она содержит также композитную структуру, состоящую из слоя 3 щетинок и сердечника 24. В данном случае сердечник имеет полое сечение и содержит металлическую спиральную пружину 5, намотанную в виде петли вокруг прокладки, и тоже металлическую оболочку 4 с открытым С-образным сечением, которая окружает и защищает пружину 5. Такие прокладки известны и продаются, в частности, под товарным знаком HELICOFLEX®. Изобретение использует их в некоторых предпочтительных вариантах осуществления; возможны также другие варианты выполнения сердечника, содержащего, например, только оболочку 4, что придает ему больше гибкости. Слой 3 щетинок имеет охватывающую часть 20, намотанную вокруг сердечника 24, и параллельные ветви 21 и 22, направленные радиально внутрь и обеспечивающие уплотнение. Наибольший диаметр намотки 20 называется «гладким диаметром» и после установки прокладки находится на небольшом расстоянии от внутренней относительно корпуса стороны цилиндрической части 6, которая образует первую часть обоймы 1.

Корпус закрыт верхним стопором 2, запрессованным в обойму 1. Для этого цилиндрическая часть 6 имеет на своем верхнем конце выемку, вокруг которой она выполнена в виде более тонкого бортика 7. Стопор 2 входит в центрованный контакт с цилиндрической частью 6 обоймы 1 через периферическую граничную поверхность 6b контакта между его стороной большего диаметра и внутренней стороной бортика 7, а также через радиальную граничную поверхность 15 упора, предпочтительно выполненную идеально плоской, между его нижней стороной и плоской стороной, образующей дно выемки цилиндрической части 6. Посадка является достаточно точной для обеспечения герметичности корпуса, в частности, благодаря плоскостности сторон, принадлежащих к граничной поверхности 15 упора, тем более что обойма 1 и стопор 2 выполнены из металла, то есть являются жесткими.

Находящиеся друг против друга и внутренние относительно корпуса стороны обоймы 1 и стопора 2 выполнены вогнутыми в виде чашеобразных впадин соответственно 9 и 10, чтобы удерживать композитную структуру. Намотка 20 имеет диаметр, больший, чем расстояние между днищами 16 и 17 чашеобразных впадин 9 и 10. Чашеобразные впадины 9 и 10 являются симметричными и имеют радиусы кривизны, по меньшей мере, равные, а в данном случае превышающие радиус намотки 20. Наконец, центры кривизны, а также днища 16 и 17 чашеобразных впадин 9 и 10 находятся на одной линии с центром намотки 20 и сердечника 24 для каждого из сечений прокладки и предпочтительно на одинаковом расстоянии от центральной оси 23. Благодаря такой конструкции, композитная структура удерживается в известном и воспроизводимом положении для каждого сечения и каждой прокладки, изготавливаемой одинаково, при этом намотка 20 и сердечник 24 удерживаются на месте, слегка сжимаясь в днищах 16 и 17 чашеобразных впадин 9 и 10. Они деформируются посредством легкого уплощения, частично занимая чашеобразные впадины 9 и 10 и расширяясь, в частности, в сторону цилиндрической части 6. Вместе с тем, радиальный зазор 18 между намоткой 20 и цилиндрической частью 6 обеспечивает деформацию без чрезмерного напряжения композитной структуры внутри корпуса. Зазор существует также противоположно корпусу со стороны ветвей 21 и 22. Это сжатие становится возможным в нормальных условиях, благодаря гибкости и упругости описанного сердечника 24.

Закрывание корпуса производят путем запрессовки, при этом бортик 7 обоймы 1 загибают при помощи инструмента на стопоре 2, закрывая край его наружной относительно корпуса стороны, противоположной чашеобразной впадине 10. В зоне перекрывания стопор 2 выполнен с двумя угловыми участками 8а и 8b, последний из которых выступает наружу в направлении центральной оси 23 прокладки. За счет закрывания бортика 7 на этом выступающем участке обеспечивается герметичность запрессовки.

Обойма 1 содержит глухое отверстие 19 на своей наружной стороне, предназначенное для установки шплинта 27, который имеет длину, превышающую глубину этого отверстия, и следовательно образует выступ. Он образует систему предотвращения проворачивания щеточной прокладки в ее гнезде.

Обойма 1 и стопор 2 содержат бортики, соответственно 11 и 12, выступающие относительно внутренних диаметров и предназначенные для удержания на месте ветвей 21 и 22 за счет их обжатия. Расстояние между бортиками 11 и 12 определено упором на граничной поверхности 15, а также плотностью щетинок щетки в этой активной зоне. Бортики 11 и 12 имеют закругления 13 и 14 на своей кромке, смежной со щетинками, чтобы избегать рисков среза при их изгибе во время эксплуатации.

Наружный диаметр 25 обоймы 1 является зоной, в которой необходимо обеспечивать герметичность с будущим гнездом прокладки. Его можно получить путем механической обработки с достаточной точностью для обеспечения плотной посадки в это гнездо.

Корпус может быть оснащен средствами уплотнения на своих наружных сторонах. На фиг. 1 видно, что предложенный вариант осуществления содержит два ребра 28, представляющие собой кромки с треугольным сечением, заостренные на своем свободном конце и выступающие из наружной плоской стороны обоймы 1. Ребра 28 являются кольцевыми, концентричными и опираются на находящуюся напротив тоже плоскую сторону 29 детали 30, поддерживающей прокладку после ее установки. Наружный диаметр 25 обоймы 1 (периферическая сторона) может содержать гибкую кромку 31, радиально выступающую наружу и опирающуюся на расточную сторону 32 детали 30.

Таким образом, деформация этих рельефных элементов обоймы 1 на детали 30 обеспечивает герметичность прокладки и позволяет избегать утечек вокруг нее. Такой же результат можно получить, используя тороидальные прокладки, расположенные в тех же местах и установленные в кольцевых пазах обоймы 1.

Изобретение относится к прокладке, содержащей корпус, выполненный из двух участков (1, 2), запрессованных друг в друга с точной и герметичной подгонкой по положению на граничных поверхностях (15, 6b), и композитную структуру, содержащую внутри корпуса предпочтительно гибкий и упругий сердечник (24) и намотку (20) из щетинок щетки. Эта структура расположена непосредственно напротив внутренних сторон (9, 10), находящихся друг против друга в корпусе, которые сжимают ее и имеют форму дуги со слегка превышающим радиусом кривизны. Композитная структура прочно, но без напряжения удерживается в точном положении. 14 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Композитная кольцевая щеточная уплотнительная прокладка, содержащая:

- кольцевой корпус, выполненный из двух запрессованных участков, из которых первый участок, называемый обоймой (1), содержит цилиндрическую часть (6) и радиальный загиб, соединенный с цилиндрической частью и содержащий внутреннюю относительно корпуса первую радиальную опорную сторону (9), и радиально выступающий второй участок, называемый стопором (2), центрован на цилиндрической части (6) и содержит внутреннюю относительно корпуса вторую опорную сторону (10), находящуюся напротив первой опорной стороны (9),

- композитную структуру, состоящую из внутреннего относительно корпуса сердечника (24) и сеть щетинок, расположенную в виде намотки (20) вокруг сердечника (24) и содержащую две параллельные ветви (21, 22), выходящие из корпуса между обоймой (1) и стопором (2),

отличающаяся тем, что

- цилиндрическая часть (6) и стопор (2) имеют радиальную граничную поверхность (15) взаимного упора,

- намотка (20) входит в контакт с опорными сторонами (9, 10),

- и опорные стороны (9, 10) изогнуты в виде чашеобразных впадин, имеющих радиусы кривизны, по меньшей мере, равные радиусу кривизны намотки (20).

2. Щеточная прокладка по п. 1, отличающаяся тем, что сердечник (24) является металлическим и имеет полое сечение.

3. Щеточная прокладка по п. 2, отличающаяся тем, что сердечник состоит из спиральной пружины (5) и из оболочки (4) с открытым сечением, окружающей пружину.

4. Щеточная прокладка по любому из пп. 1-3, отличающаяся тем, что чашеобразные впадины имеют днища, разделенные расстоянием, меньшим свободного наружного диаметра намотки в собранном положении корпуса, при этом между намоткой (20) и цилиндрической частью (6) остается зазор.

5. Щеточная прокладка по п. 1, отличающаяся тем, что чашеобразные впадины являются симметричными и имеют днища (16, 17), расположенные, как и центр сердечника и намотки, на одинаковом расстоянии от центральной оси прокладки.

6. Щеточная прокладка по п. 1, отличающаяся тем, что обойма и стопор содержат бортики (11, 12), при этом бортики охватывают ветви из щетинок, располагаясь параллельно между собой и радиально противоположно цилиндрической части (6).

7. Щеточная прокладка по п. 1, отличающаяся тем, что цилиндрическая часть

содержит полость, дно которой образовано радиальной граничной поверхностью (15) взаимного упора и которая ограничена крайним бортиком (7) цилиндрической части, при этом стопор (2) охвачен крайним бортиком и входит с ним в контакт через периферическую граничную поверхность (6b), при этом крайний бортик изогнут и закрывает край стороны стопора, противоположный второй опорной стороне, наружной относительно корпуса.

8. Щеточная прокладка по п. 7, отличающаяся тем, что стопор имеет, по меньшей мере, один угловой участок (8b) на периферической граничной поверхности.

9. Щеточная прокладка по п. 8, отличающаяся тем, что угловой участок выступает в направлении центральной оси (23) прокладки.

10. Щеточная прокладка по п. 1, отличающаяся тем, что радиальная граничная поверхность (15) упора является плоской.

11. Щеточная прокладка по п. 1, отличающаяся тем, что первый участок корпуса содержит глухое отверстие (19) для установки шплинта (27) с целью предотвращения проворачивания прокладки.

12. Щеточная прокладка по п. 1, отличающаяся тем, что корпус содержит наружные средства уплотнения.

13. Щеточная прокладка по п. 12, отличающаяся тем, что средства уплотнения содержат выступающие рельефные элементы.

14. Щеточная прокладка по п. 13, отличающаяся тем, что рельефные элементы включают в себя ребра (28) треугольного сечения.

15. Щеточная прокладка по п. 13, отличающаяся тем, что рельефные элементы включают в себя деформирующуюся кромку (31).