УСТРОЙСТВО ГЕРМЕТИЧНОГО УПЛОТНЕНИЯ ДЛЯ ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ, СОДЕРЖАЩЕЕ СРЕДСТВА СМАЗКИ ЩЕТОЧНОГО УПЛОТНЕНИЯ Российский патент 2018 года по МПК F01D11/00 F16J15/3288 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к общей области газотурбинных двигателей и, в частности, к области уплотнительных систем, предназначенных для обеспечения герметичности между двумя полостями газотурбинного двигателя и содержащих, в частности, щеточное уплотнение.

Изобретение можно применять для любого типа наземных или авиационных газотурбинных установок и, в частности, для газотурбинных двигателей летательного аппарата, таких как турбореактивные двигатели и турбовинтовые двигатели. Предпочтительно изобретение применяют для двухвального и двухконтурного турбореактивного двигателя.

В частности, изобретение относится к устройству герметичного соединения для газотурбинного двигателя, содержащему щеточное уплотнение, и к соответствующему газотурбинному двигателю, а также к способу изготовления такого устройства.

Уровень техники

В области газотурбинных двигателей существуют различные типы уплотнительных систем для обеспечения герметичности между двумя частями газотурбинного двигателя.

В частности, различают уплотнительные системы «с постоянным контактом» и «бесконтактные» уплотнительные системы. Уплотнительные системы «с постоянным контактом» включают в себя, например, щеточные уплотнения и сегментированные радиальные уплотнения и характеризуются при нормальной работе постоянным контактом между двумя деталями газотурбинного двигателя. «Бесконтактные» уплотнительные системы содержат, например, лабиринтные уплотнения и характеризуются отсутствием контакта между деталями газотурбинного двигателя, за исключением таких явлений, как большие перекосы или значительные смещения газотурбинного двигателя.

Щеточные уплотнения известны, например, из документов US 4781388, US 5480162 и US 6170831. Они состоят из множества волосков или нитей, например из карбона и даже из металла или кевлара®, которые запрессованы или закреплены сваркой и удерживаются в гнезде одним из своих концов и которые входят в контакт своими свободными концами с поверхностью уплотняемой части газотурбинного двигателя. Такие щеточные уплотнения обеспечивают адаптацию к изменениям зазора, которые происходят в уплотнительном устройстве. Действительно, волоски щеточного уплотнения могут конструктивно адаптироваться к деформированным или прерывистым поверхностям уплотняемой части.

Контакт волосков щеточного уплотнения с поверхностью уплотняемой части газотурбинного двигателя, например с вращающимся валом, обеспечивает уплотнительную функцию щеточного уплотнения. Однако этот контакт является причиной трения между волосками и этой поверхностью, которое, как правило, приводит к преждевременному износу волосков. Изношенные волоски перестают обеспечивать герметичность щеточного уплотнения, что приводит к снижению его эффективности, которая может даже стать нулевой.

Раскрытие изобретения

Следовательно, существует потребность в повышении эффективности щеточных уплотнений с целью обеспечения герметичности между двумя частями газотурбинного двигателя.

В частности, существует потребность в уменьшении и даже предупреждении износа волосков таких щеточных уплотнений.

Изобретение призвано по меньшей мере частично удовлетворить вышеупомянутые потребности и устранить недостатки известных технических решений.

В связи с этим одним из объектов изобретения является устройство герметичного соединения для газотурбинного двигателя, содержащее:

- щеточное уплотнение, образованное множеством уплотнительных волосков, окружающих сердечник,

- запорный кожух, содержащий участок, в который по меньшей мере частично заходит щеточное уплотнение, и

- опорную крышку, установленную в контакте со щеточным уплотнением для его удержания в положении на запорном кожухе, при этом щеточное уплотнение расположено между запорным кожухом и опорной крышкой, при этом

согласно изобретению опорная крышка содержит средства смазки волосков щеточного уплотнения, содержащие отверстие для сбора смазочного масла, маслораспределительную канавку, сообщающуюся с указанным отверстием, и по меньшей мере один проточный канал для прохождения смазочного масла к волоскам щеточного уплотнения, сообщающийся с указанной канавкой.

Благодаря изобретению, можно осуществлять смазку (или «смачивание») волосков щеточных уплотнений, что позволяет ограничить износ и даже избежать износа волосков и гарантировать максимально долго уплотнительную функцию щеточных уплотнений. Таким образом, изобретение позволяет продлить срок службы щеточных уплотнений, используемых в газотурбинных двигателях.

Устройство герметичного соединения в соответствии с изобретением может также иметь один или несколько следующих отличительных признаков, рассматриваемых отдельно или в любых технически возможных комбинациях.

Щеточное уплотнение может обеспечивать уплотнение любой уплотняемой части газотурбинного двигателя, в частности вращающегося вала.

Устройство герметичного соединения в соответствии с изобретением может быть расположено между двумя полостями газотурбинного двигателя, где требуется обеспечение герметичности, и смазочное масло предпочтительно является маслом, находящимся по меньшей мере в одной из двух полостей газотурбинного двигателя, между которыми находится устройство герметичного соединения.

Маслораспределительная канавка может быть выполнена по всему контуру опорной крышки. В частности, канавка может проходить на 360° вокруг оси вращения вращающегося вала, с которым входит в контакт щеточное уплотнение.

Опорная крышка может содержать множество проточных каналов для прохождения смазочного масла к волоскам щеточного уплотнения, имеющих переменные сечения и/или переменное угловое распределение по контуру опорной крышки, определяемые, в частности, таким образом, чтобы все каналы обеспечивали смазку волосков щеточного уплотнения с одинаковым расходом смазочного масла.

Таким образом, можно добиться равномерной смазки щеточного уплотнения. Характеристики каналов, в частности их размеры и их распределение, можно определять таким образом, чтобы они образовали точки питания смазочным маслом волосков щеточного уплотнения с равномерным расходом масла.

Кроме того, во время работы газотурбинного двигателя масло, которое может постоянно содержаться по меньшей мере в одной из двух полостей, между которыми находится устройство герметичного соединения в соответствии с изобретением, смазка щеточного уплотнения может происходить непрерывно.

Предпочтительно размеры проточных каналов определяют таким образом, чтобы общий расход смазочного масла, выходящего через каналы, был равен общему расходу смазочного масла, поступающему через отверстие сбора масла в опорной крышке, чтобы крышка не опорожнялась быстрее, чем она заполняется (иначе масло не сможет выходить из самых верхних каналов), или наоборот (иначе масло будет переливаться через отверстие сбора).

Отверстие сбора смазочного масла в опорной крышке может быть выполнено по меньшей мере на четверти контура опорной крышки.

Маслораспределительная канавка может быть выполнена радиально по контуру опорной крышки, в частности, посредством механической обработки и может быть закрыта запорным кожухом для обеспечения прохождения внутри нее смазочного масла.

В варианте опорная крышка может быть образована посредством соединения первой части и второй части. В этом случае маслораспределительная канавка может быть выполнена, в частности, посредством механической обработки на одной из первой части и второй части и может быть закрыта другой из первой части и второй части для обеспечения прохождения внутри нее смазочного масла.

В варианте заявленное устройство герметичного соединения может содержать запорное кольцо, расположенное между щеточным уплотнением и опорной крышкой. В этом случае маслораспределительная канавка может быть выполнена, в частности, посредством механической обработки на опорной крышке и может быть закрыта при помощи запорного кольца для обеспечения прохождения внутри нее смазочного масла.

Объектом изобретения является также газотурбинный двигатель, отличающийся тем, что содержит описанное выше устройство герметичного соединения.

Кроме того, объектом изобретения является также способ изготовления описанного выше устройства герметичного соединения.

В рамках заявленного способа множество проточных каналов для прохождения смазочного масла к волоскам щеточного уплотнения можно выполнить, в частности, посредством сверления на опорной крышке. Сечение и/или распределение каналов по контуру опорной крышки можно определить таким образом, чтобы все каналы обеспечивали смазку волосков щеточного уплотнения с одинаковым расходом смазочного масла для обеспечения равномерной смазки щеточного уплотнения.

Газотурбинный двигатель и способ изготовления в соответствии с изобретением могут иметь любой из вышеуказанных отличительных признаков, рассматриваемых отдельно или в любых технически возможных комбинациях с другими признаками.

Краткое описание чертежей

Изобретение будет более очевидно из нижеследующего описания неограничивающих примеров его осуществления со ссылками на частичные и схематичные фигуры прилагаемых чертежей.

На фиг. 1А показано устройство герметичного соединения в соответствии с изобретением, вид в осевом разрезе;

на фиг. 1В показана опорная крышка устройства герметичного соединения, изображенного на фиг. 1А, вид в радиальном разрезе;

на фиг. 2A-2D показан первый пример осуществления устройства герметичного соединения в соответствии с изобретением, вид в перспективе и в разрезе;

на фиг. 3А-3Е показан второй пример осуществления устройства герметичного соединения в соответствии с изобретением, виды в перспективе и в разрезе;

на фиг. 4A-4D показан третий пример осуществления устройства герметичного соединения в соответствии с изобретением, виды в перспективе и в разрезе.

На всех фигурах идентичные или аналогичные элементы могут иметь одинаковые обозначения.

Кроме того, показанные на фигурах различные части не обязательно показаны в масштабе, чтобы сделать фигуры более понятными.

Осуществление изобретения

На фиг. 1А в осевом разрезе показано заявленное устройство 10 герметичного соединения для газотурбинного двигателя.

Устройство 10 герметичного соединения содержит щеточное уплотнение 1, образованное множеством волосков 1а, например, из карбона, расположенных вокруг сердечника 1b. Таким образом, щеточное уплотнение 1 обеспечивает герметичность между двумя полостями газотурбинного двигателя, одна из которых содержит масло для смазки устройства 10 герметичного соединения.

Волоски 1а щеточного уплотнения 1 входят в контакт с вращающимся валом 7 вокруг оси вращения X, что приводит к постоянному трению волосков 1а по вращающемуся валу 7 и к преждевременному износу волосков 1а щеточного уплотнения 1, снижающему эффективность уплотнения, обеспечиваемого щеточным уплотнением 1.

Кроме того, устройство 10 герметичного соединения содержит запорный кожух 3, имеющий участок 3а, в который может по меньшей мере частично заходить щеточное уплотнение 1, как показано на фиг. 1. Участок 3а может соответствовать рельефному элементу, в частности выемке в запорном кожухе 3.

Кроме того, устройство 10 герметичного соединения содержит опорную крышку 2, которая установлена в контакте со щеточным уплотнением 1 для ее удержания в положении на запорном кожухе 3, при этом щеточное уплотнение 1 расположено между запорным кожухом 3 и опорной крышкой 2. В частности, опорная крышка 2 позволяет прижимать и удерживать в положении щеточное уплотнение 1 на запорном кожухе 3.

Чтобы уменьшить и даже предупредить износ волосков 1а щеточного уплотнения 1 по причине трения о вращающийся вал 7, опорная крышка 2 содержит, согласно изобретению, средства смазки волосков 1а щеточного уплотнения 1.

Эти средства смазки позволяют смазывать волоски 1а щеточного уплотнения 1 посредством отбора масла, нагнетаемого внутрь по меньшей мере одной из полостей и проникающего в устройство 10 герметичного соединения, как показано стрелкой F на фиг. 1, образуя масляную пленку Н на уровне волосков 1а щеточного уплотнения 1.

В частности, средства смазки содержат отверстие 5 для сбора смазочного масла, маслораспределительную канавку 6, соединенную с отверстием 5, то есть гидравлически сообщающуюся с отверстием 5, и множество проточных каналов 4 для прохождения смазочного масла к волоскам 1а щеточного уплотнения 1, каждый из которых соединен с канавкой 6, то есть гидравлически сообщается с канавкой 6.

На фиг. 1В в радиальном разрезе показана опорная крышка 2 устройства 10 герметичного соединения, показанного на фиг. 1.

Как видно на фигуре, сборное отверстие 5 выполнено на верхней части опорной крышки 2, например на четверти контура опорной крышки 2. Кроме того, маслораспределительная канавка 6 выполнена, например, по всему контуру опорной крышки 2, то есть на угловом расстоянии 360° вокруг оси вращения X вращающегося вала 7. По контуру опорной крышки 2 выполнен также ряд проточных каналов 4 для смазочного масла.

Каналы 4 можно выполнить, например, посредством сверления в опорной крышке 2. Их размеры, в частности их диаметр (или сечение), а также их распределение по контуру опорной крышки 2 можно определить таким образом, чтобы расход смазочного масла, выходящего из каждого канала 4 в направлении волосков 1а щеточного уплотнения 1, был одинаковым, то есть чтобы маслораспределительная канавка 6 позволяла питать каждый канал 4 таким образом, чтобы каналы 4 обеспечивали равномерную смазку всего щеточного уплотнения 1. Таким образом, угловое распределение каналов 4 может быть равномерным или чаще всего переменным по всему контуру опорной крышки 2. Точно так же сечения или диаметры каналов 4 могут быть идентичными или чаще всего разными.

Благодаря заявленному устройству 10 герметичного соединения масло, которое протекает в полости газотурбинного двигателя вблизи устройства 10 герметичного соединения, может улавливаться в направлении стрелки F сборным отверстием 5, находящимся на опорной крышке 2. Затем смазочное масло заполняет распределительную канавку, которая, в свою очередь, обеспечивает распределение масла в различные каналы 4 с образованием масляной пленки Н на волосках 1а равномерно смазываемого при этом щеточного уплотнения 1.

Кроме того, поскольку масло непрерывно протекает в полости во время работы газотурбинного двигателя, это позволяет непрерывно смазывать щеточное уплотнение 1.

На фиг. 2A-2D представлен первый пример осуществления заявленного устройства 10 герметичного соединения, вид в перспективе на фиг. 2А и 2С и в осевом разрезе на фиг. 2В и 2D. На фиг. 2D в увеличенном виде показана зона А фиг. 2С.

В этом примере маслораспределительная канавка 6 выполнена радиально по контуру опорной крышки 2, как показано, например, на фиг. 2А и 2С, например, посредством механической обработки, и закрыта запорным кожухом 3 для обеспечения прохождения смазочного масла внутри канавки 6.

В частности, зона D, показанная на фиг. 2В, наглядно иллюстрирует особенность осуществления этого первого примера устройства 10 герметичного соединения в соответствии с изобретением. Канавку 6, проходящую на 360° вокруг оси X вращающегося вала 7, закрывают путем соединения запорного кожуха 3 с опорной крышкой 2. Закрывание за счет контакта запорного кожуха с опорной крышкой 2 обеспечивает заполнение маслом канавки 6.

На фиг. 2С показано выполнение проточных каналов 4 для прохождения смазочного масла к волоскам 1а щеточного уплотнения 1 по контуру опорной крышки 2, в частности, посредством выполнения отверстий разных диаметров, при этом каналы 4 распределены таким образом, чтобы смачивать щеточное уплотнение 1 при максимально равномерном расходе масла.

На фиг. 2D показано прохождение смазочного масла от канавки 6 к каналам 4 и к волоскам 1а щеточного уплотнения 1.

На фиг. 3А-3Е представлен второй пример осуществления заявленного устройства 10 герметичного соединения, вид в перспективе на фиг. 3А и 3D и в осевом разрезе на фиг. 3С и 3Е. На фиг. 3Е в увеличенном виде показана зона В фиг. 3D.

В этом примере опорная крышка выполнена путем соединения первой части 2а и второй части 2b, как показано, в частности, на фиг. 3В.

Маслораспределительная канавка 6 выполнена, например, посредством механической обработки, на первой части 2а, и ее закрывает вторая часть 2b для обеспечения прохождения смазочного масла внутри канавки 6.

Обе части 2а и 2b соединены друг с другом в осевом направлении, то есть вторая часть 2b закрывает первую часть 2а опорной крышки 2 вдоль оси вращения X вращающегося вала 7.

В представленных первом и втором примерах, описанных соответственно со ссылками на фиг. 2A-2D и 3А-3Е, использование соответственно отверстия запорного кожуха 3 для закрывания распределительной канавки 6 или выполнение опорной крышки 2 из первой части 2а и второй части 2b позволяют интегрировать средства смазки волосков 1а щеточного уплотнения 1 в ограниченное пространство устройства 10 герметичного соединения.

На фиг. 4A-4D представлен третий пример осуществления заявленного устройства 10 герметичного соединения, вид в перспективе на фиг. 4А и 4С и в осевом разрезе на фиг. 4В и 4D. На фиг. 4D в увеличенном виде показана зона С фиг. 4С.

В этом примере устройство 10 герметичного соединения содержит запорное кольцо 8, показанное на фиг. 4В и 4D, расположенное между щеточным уплотнением 1 и опорной крышкой 2. На опорной крышке 2, например, посредством механической обработки выполнена маслораспределительная канавка 6, которую затем закрывают при помощи запорного кольца 8 для обеспечения прохождения внутри нее смазочного масла.

Запорное кольцо 8, зажатое между опорной крышкой 2 и щеточным уплотнением 1, обеспечивает распределение на 360° вокруг оси X вращающегося вала 7 смазочного масла, предназначенного для питания каналов 4.

Разумеется, изобретение не ограничивается описанными выше примерами осуществления. Специалист может вносить в них различные изменения.

Выражение «содержащий + единственное число» следует понимать как «содержащий по меньшей мере один», если только не указано иное.

Изобретение относится к устройству (10) герметичного соединения для газотурбинного двигателя, содержащему щеточное уплотнение (1), образованное множеством уплотнительных волосков, окружающих сердечник, запорный кожух (3), содержащий участок, в который по меньшей мере частично заходит щеточное уплотнение (1), и опорную крышку (2), установленную в контакте со щеточным уплотнением (1) для его удержания в положении на запорном кожухе (3). При этом щеточное уплотнение (1) расположено между запорным кожухом (3) и опорной крышкой (2). Согласно изобретению опорная крышка (2) содержит средства (4, 5) смазки волосков щеточного уплотнения (1), содержащие отверстие (5) для сбора смазочного масла, маслораспределительную канавку, сообщающуюся с указанным отверстием (5), и по меньшей мере один проточный канал (4) для прохождения смазочного масла к волоскам щеточного уплотнения (1), сообщающийся с указанной канавкой. Изобретение позволяет уменьшить износ волосков, что приводит к увеличению эффективности щёточного уплотнения. 3 н. и 6 з.п. ф-лы, 15 ил.

1. Устройство (10) герметичного соединения для газотурбинного двигателя, содержащее:

- щеточное уплотнение (1), образованное множеством уплотнительных волосков (1а), окружающих сердечник (1b),

- запорный кожух (3), содержащий участок (3а), в который по меньшей мере частично заходит щеточное уплотнение (1), и

- опорную крышку (2), установленную в контакте со щеточным уплотнением (1) для его удержания в положении на запорном кожухе (3), при этом щеточное уплотнение (1) расположено между запорным кожухом (3) и опорной крышкой (2),

отличающееся тем, что опорная крышка (2) содержит средства (4, 5, 6) смазки волосков (1а) щеточного уплотнения (1), содержащие отверстие (5) для сбора смазочного масла, маслораспределительную канавку (6), сообщающуюся с указанным отверстием (5), и по меньшей мере один проточный канал (4) для прохождения смазочного масла к волоскам (1а) щеточного уплотнения (1), сообщающийся с указанной канавкой (6).

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что маслораспределительная канавка (6) выполнена по всему контуру опорной крышки (2).

3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что опорная крышка (2) содержит множество проточных каналов (4) для прохождения смазочного масла к волоскам (1а) щеточного уплотнения (1), имеющих переменные сечения и/или переменное угловое распределение по контуру опорной крышки (2), определяемые, в частности, так, чтобы все каналы (4) обеспечивали смазку волосков (1а) щеточного уплотнения (1) с одинаковым расходом смазочного масла.

4. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что отверстие (5) сбора смазочного масла опорной крышки (2) выполнено по меньшей мере на четверти контура опорной крышки (2).

5. Устройство по любому из пп. 1–4, отличающееся тем, что маслораспределительная канавка (6) выполнена радиально по контуру опорной крышки (2), в частности посредством механической обработки, и закрыта запорным кожухом (3) для обеспечения прохождения внутри нее смазочного масла.

6. Устройство по любому из пп. 1–4, отличающееся тем, что опорная крышка (2) образована посредством соединения первой части (2а) и второй части (2b), при этом маслораспределительная канавка (6) выполнена, в частности посредством механической обработки, на одной из первой части (2а) и второй части (2b) и закрыта другой из первой части (2а) и второй части (2b) для обеспечения прохождения внутри нее смазочного масла.

7. Устройство по любому из пп. 1–4, отличающееся тем, что содержит запорное кольцо (8), расположенное между щеточным уплотнением (1) и опорной крышкой (2), при этом маслораспределительная канавка (6) выполнена, в частности посредством механической обработки, на опорной крышке (2) и закрыта при помощи запорного кольца (8) для обеспечения прохождения внутри нее смазочного масла.

8. Газотурбинный двигатель, отличающийся тем, что содержит устройство (10) герметичного соединения по любому из пп. 1–7.

9. Способ изготовления устройства герметичного соединения по любому из пп. 1–7, отличающийся тем, что множество проточных каналов (4) для прохождения смазочного масла к волоскам (1а) щеточного уплотнения (1) выполняют, в частности посредством сверления, на опорной крышке (2), при этом сечение и/или распределение каналов (4) по контуру опорной крышки (2) определяют так, чтобы все каналы (4) обеспечивали смазку волосков (1а) щеточного уплотнения (1) с одинаковым расходом смазочного масла для обеспечения равномерной смазки щеточного уплотнения (1).