МЕЖВАЛЬНОЕ РАДИАЛЬНО-ТОРЦОВОЕ КОНТАКТНОЕ УПЛОТНЕНИЕ Советский патент 1995 года по МПК F16J15/34 

Изобретение относится к машиностроению, а именно к газотурбинному машиностроению, в частности к радиально-торцовым кольцевым контактным уплотнениям для разделения масляных и воздушных полостей, в которых уплотнительное кольцо расположено между двумя вращающимися валами.

Известно межвальное контактное уплотнение, которое содержит наружный вал, вращающийся с большими оборотами, и внутренний вал-кольцедержатель, вращающийся с меньшими оборотами, между валами в канавке кольцедержателя установлено уплотнительное кольцо.

Кольцо имеет уплотнительный поясок на торце полости низкого давления, расположенный у дна канавки кольцедержателя, а также разгрузочные канавки, соединенные между собой выфрезеровками и отверстиями с полостью высокого давления.

На торце полости высокого давления у дна канавки кольцедержателя на кольце проточен уступ.

По наружной цилиндрической поверхности кольца имеется одна разгрузочная канавка, полость которой соединена с открытыми выфрезеpовками.

Указанное уплотнение теряет свою эффективность при перемене знака перепада давлений, поскольку широкий диапазон изменения давлений нельзя полностью компенсировать подбором канавок, поясков и выфрезеровок в такой конструкции. При обратном перепаде давлений торец с уступом прижимается к торцу канавки кольцедержателя, проскальзывает и подвергается износу. Это снижает надежность и долговечность уплотнения.

Кроме того, при сборке кольцо может быть случайно установлено обратной стороной относительно предполагаемых полостей давления, что приводит к потере его эффективности.

Целью изобретения является повышение надежности и эффективности уплотнения на переходных режимах путем увеличения осевой силы от неуравновешенных газовых сил для улучшения быстродействия кольца при перемене знака перепада давления посредством оптимизации положения уплотнительных поясков на торцах кольца, а также использование центробежной силы, в поле действия которой постоянно находится кольцо в межвальном уплотнении.

Указанная цель достигается тем, что в межвальном радиально-торцовом контактном уплотнении, содержащем установленное в канавке кольцедержателя уплотнительное кольцо с разгрузочными канавками, соединенными с отверстиями и выфрезеровками, и уплотнительными поясками, в кольце выполнены внутренние радиальные каналы, соединяющие разгрузочные канавки и выфрезеровки на наружной поверхности кольца с внутренней поверхностью кольца. Это способствует повышению давления воздуха в замкнутом объеме между кольцом и внутренней поверхностью охватывающего вращающегося вала, Эти каналы имеют выход в местах расположения выфрезерок, что улучшает распределение нагнетаемого воздуха в полостях, образованных канавками и выфрезеровками кольца по его наружной поверхности у внутренней поверхности охватывающего вала.

Воздух с повышенным давлением обеспечивает газовую смазку в зоне трения кольца о радиальную поверхность. Повышение давления в указанной зоне создает силу, направленную к оси вращения ротора, что уменьшает удельное давление и износ кольца по наружной радиальной поверхности.

Межвальное радиально-торцовое уплотнение будет более эффективно, если на обоих торцах кольца уплотнительные пояски будут расположены у дна канавки кольцедержателя, поскольку при изменении знака перепада давления уплотнение будет работать одинаково эффективно как одним, так и другим торцом.

На фиг.1 представлен продольный разрез уплотнения; на фиг. 2 разрез А-А на фиг. 1; на фиг.3 разрез Б-Б на фиг.2; на фиг.4 разрез В-В на фиг.2; на фиг.5 разрез Г-Г на фиг.1.

Уплотнение содержит наружный вал 1 и внутренний вал-кольцедержатель 2 и расположенное между валами уплотнительное кольцо 3. Вал 1 имеет уплотнительную радиальную поверхность 4, а на валу 2 выполнена кольцевая канавка 5, имеющая две равноценные уплотнительные поверхности 6 и 7.

Уплотнительное кольцо 3, помещенное в кольцевую канавку вала 2, имеет уплотнительную радиальную поверхность 8 и две равноценные уплотнительные торцовые поверхности 9 и 10.

На уплотнительной наружной радиальной поверхности 8 кольца 3 расположены два разнесенных по оси уплотнительных пояска 11 и 12, осевая протяженность каждого из которых определяется соответствующими торцовыми поверхностями 9 и 10 и кольцевыми разгрузочными канавками 13 и 14, а их минимальная ширина 0,8 мм.

Поясок 15, расположенный между кольцевыми разгрузочными канавками 13 и 14, имеет равнорасположенные по окружности разгрузочные выфрезеpовки 16, образующие при сопряжении с уплотнительной поверхностью 8 острые углы α (см. фиг. 5) в поперечном сечении. Полость между дном канавки кольцедержателя 2 и внутренней радиальной поверхностью кольца 17 сообщена с полостью выфрезеровки 16 посредством радиального канала 18.

Каждая из торцовых поверхностей 9 и 10 кольца 3 имеет уплотнительный поясок 19, кольцевые разгрузочные канавки 20 и 21 и радиальные разгрузочные профрезеровки 22, образующие опорные пояски 23 и 24. Радиальные разгрузочные профрезеровки 22 при сопряжении с поверхностью 6 или 7 вала 2 образуют острые углы β в продольном сечении (см.фиг.3).

Радиальная протяженность уплотнительного кольца 3 определяется суммарной площадью опорных поясков 23 и 24 и уплотнительного пояска 19, удельное давление на которых при контакте с уплотнительной поверхностью 6 вала 2 от действия осевых газовых сил при самых неблагоприятных условиях не превышает 0,4 кгс/см². Минимальная радиальная протяженность уплотнительных поясков 19 составляет 0,8 мм.

Глубина 25 разгрузочных канавок 20 и 21, а также глубина 26 разгрузочных радиальных профрезеровок 22 позволяет надежно работать уплотнительному кольцу 3 в случае истирания его торцовой поверхности, происходящего при длительной работе уплотнения.

Величина зазора 27 при контакте уплотнительного кольца 3 с поверхностью 4 вала 1 составляет 0,05-0,25 мм.

Уплотнительное кольцо 3, свободно установленное в кольцевой канавке 5 вала 2, взаимодействует с радиальной поверхностью 4 вала 1 и в зависимости от режима работы турбомашины с уплотнительной поверхностью 6 или 7 вала 2.

Рассмотрим три случая работы уплотнения, наиболее характерные для газотурбинного двигателя.

1. Расчетный. Работа уплотнения при превышении давления в воздушной полости давления масловоздушной смеси в масляной полости (Р₁>Р₂).

2. Работа уплотнения при равенстве давлений в воздушной и масляной полостях (Р₁=Р₂).

3. Работа уплотнения при превышении давления в масляной полости давления воздуха в воздушной полости (Р₁ < Р₂).

В первом случае на расчетном режиме турбомашины уплотнение работает следующим образом.

Уплотнительное кольцо 3 под действием давления воздуха, сил упругости и центробежной силы взаимодействует с уплотнительной радиальной поверхностью 4 вала 1 и уплотнительной поверхностью 6 вала 2, вращающихся в одну сторону с разными частотами. Уплотнение осуществляется уплотнительными поясками 19, взаимодействующими с уплотнительной поверхностью 6 вала 2, и уплотнительным пояском 11, взаимодействующим с уплотнительной радиальной поверхностью 4 вала 1.

В зависимости от соотношения неуравновешенных осевых и радиальных сил, действующих на уплотнительное кольцо 3, скорость проскальзывания с уплотнительных поверхностей 9 и 8 относительно соответствующих уплотнительных поверхностей 6 и 4 валов 2 и 1 может изменяться от нуля до максимальной. Например, при максимальной скорости проскальзывания относительно поверхности 6 вала 2 кольцо неподвижно относительно уплотнительной радиальной поверхности 4 вала 1 и наоборот.

Уплотнительное кольцо 3, расположенное между двумя вращающимися в одну сторону валами 1 и 2, также будет вращаться в диапазоне частот, минимальная величина которых соответствует частоте вращения тихоходного вала, а максимальная частоте вращения быстроходного вала.

Исходя из этого, кольцо 3, а заодно с ним и воздух, находящийся в радиальном канале 18 и выфрезеровках 16, масловоздушная смесь, находящаяся в объемах, определяемых разгрузочными профрезеровками 22 и сопрягаемой уплотнительной поверхностью 6 вала 2, воздух, находящийся в объеме, определяемом величиной зазора 27 в месте разреза кольца и уплотнительной поверхностью 6 вала 2, будут постоянно находиться под действием центробежной силы.

Следовательно, благодаря наличию второго уплотнительного пояска 12 воздух в канале 18, выфрезеровках 16 и в зазоре 27, а значит и в разгрузочных канавках 13 и 14 будет находиться под давлением, превышающим Р₁, что создает дополнительную разгрузочную силу, уменьшающую давление уплотнительной поверхности 8 кольца 3 на сопрягаемую уплотнительную поверхность 4 вала 1.

Центробежная сила, действующая на масловоздушную смесь в объемах, определяемых разгрузочными профрезеровками 22 и сопрягаемой уплотнительной поверхностью 6 вала 2, создает в них разрежение, увеличивающее осевую неуравновешенную силу от действия перепада давления между воздушной и масляной полостями.

Идеальным соотношением неуравновешенных осевых и радиальных сил, действующих на уплотнительное кольцо, является их равенство.

Однако ввиду обычно больших центробежных сил по сравнению с осевыми допустимым является такое соотношение сил, при котором они отличаются друг от друга не более, чем в три раза.

Наличие радиальных каналов, выфрезеровок, торцовых профрезеровок на кольце при известных соотношениях их длин, величины площади каналов и глубин позволяет обеспечить требуемое соотношение между неуравновешенными силами.

В случае проскальзывания кольца 3 относительно поверхности 4 пограничный слой воздуха, находящийся в выфрезеровках 16, увлекается поверхностью 4 вала 1 в сужающийся канал. Этим создается дополнительная воздушная смазка между поверхностью 4 вала 1 и опорными поверхностями пояска 15, что существенно повышает износостойкость кольца, а значит, и его долговечность.

При проскальзывании кольца 3 относительно поверхности 6 вала 2 происходит аналогичная ситуация обеспечивается дополнительная смазка масловоздушной смесью в зоне контакта опорных поверхностей с уплотнительной поверхностью 6 вала 2.

С целью расширения диапазона применения уплотнительного кольца острые углы α и β в выфрезеровках 16 и профрезеровках 22 выполнены с обеих сторон: в радиальном сечении для кольцевых и в осевом для торцовых.

При работе турбомашины в условиях равенства давления в воздушной и масляной полостях на уплотнении осевые и радиальные газовые неуравновешенные силы отсутствуют. На уплотнительное кольцо действует упругая сила разрезного кольца и центробежная сила, так как при равенстве давлений кольцо может находиться в канавке 5 с зазорами по его торцам.

Таким образом, контакт уплотнительного кольца 3 с валом 2 полностью отсутствует, и кольцо вращается с частотой вала 1.

В выфрезеровках 16 и радиальном канале 18 на воздух воздействует центробежная сила, которая вызывает повышение давления воздуха в замкнутом объеме, определяемом уплотнительными поясками 11 и 12, выфрезеровками 16 и радиальными каналами 18. Воздух и масловоздушная смесь, находящиеся в радиальных разгрузочных профрезеровках 22, будут отбрасываться центробежной силой к периферии. Благодаря незначительности зазоров между кольцом 3 и торцами поверхностей 6 и 7 вала 2 утечка масловоздушной смеси к центру вращения уплотнительного кольца невозможна.

Наличие повышенного давления (по сравнению с окружающим давлением) в замкнутом объеме, определяемом уплотнительными поясками 11 и 12, не допускает утечки масловоздушной смеси в осевом направлении по поверхности 4 вала 1 из масляной полости в воздушную.

Режим работы кольца с зазорами по торцам неустойчив, а поэтому кратковременен.

В случае повышения давления в масляной полости по сравнению с давлением в воздушной полости уплотнительное кольцо под действием неуравновешенной осевой газовой силы переместится до контакта с поверхностью 7 вала 2. Уплотнительное кольцо имеет две одинаковые уплотнительные поверхности.

При контакте уплотнительной поверхности 10 с поверхностью 7 вала 1 уплотнение создается по пояску 11. Работа уплотнения в этом случае аналогична его работе при прямом перепаде давлений (Р₁>Р₂).

Технико-экономический эффект изобретения заключается в повышении надежности уплотнения, в удешевлении изготовления и возможности использования одного кольца вместо двух.

1. МЕЖВАЛЬНОЕ РАДИАЛЬНО-ТОРЦОВОЕ КОНТАКТНОЕ УПЛОТНЕНИЕ, содержащее установленное в канавке кольцедержателя уплотнительное кольцо с разгрузочными канавками, соединенными с каналами и выфрезеровками, и уплотнительными поясками, причем на одном торце кольца уплотнительный поясок выполнен у дна канавки кольцедержателя, отличающееся тем, что, с целью повышения надежности и эффективности работы уплотнения на переходных режимах, в кольце выполнены внутренние радиальные каналы, соединяющие разгрузочные канавки и выфрезеровки на наружной поверхности кольца с внутренней поверхностью кольца. 2. Уплотнение по п.1, отличающееся тем, что на другом торце кольца выполнен дополнительный уплотнительный поясок, расположенный у дна канавки кольцедержателя.