Результат интеллектуальной деятельности: Контактное радиально-торцевое графитовое уплотнение ротора турбомашины

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано в конструкциях турбомашин для уплотнения кольцевых щелей между статором и ротором.

В качестве наиболее близкого аналога (прототипа) выбрано контактное радиально-торцевое графитовое уплотнение ротора турбомашины, содержащее корпус, разделяющий масляную и газовую полости, графитовое кольцо в виде сегментов, установленное в корпусе и контактирующее с ним по торцу, крышку, установленную со стороны другого торца графитового кольца и зафиксированную в корпусе, осевую пружину, установленную между крышкой и графитовым кольцом, браслетную пружину, установленную между наружной поверхностью графитового кольца и внутренней поверхностью корпуса, а также контактную втулку, которую охватывает графитовое кольцо, и маслоподводящую втулку, установленные на валу и зафиксированные относительно последнего в осевом направлении, причем между контактной и маслоподводящей втулками образована кольцевая полость, сообщенная с масляной полостью, а со стороны внутреннего диаметра в маслоподводящей втулке выполнены маслоподводящие каналы (RU 2578933 С1).

Недостатками данного уплотнения является то, что тепловыделение от трения графитового кольца о контактную втулку происходит на всех режимах работы. Поэтому существуют ограничения по частоте вращения ротора, что ограничивает область применения и ресурс уплотнения. Поэтому для предотвращения разрушения графитового кольца предусмотрен суммарный торцевой зазор между сегментами, величина которого увеличивается с увеличением частоты вращения и температуры, приводящей к повышенному расходу воздуха на уплотнении. В системе охлаждения маслом контактной втулки регулирование расхода масла зависит только от частоты вращения, т.е. нет обратной связи с температурой контактной втулки. Поэтому невозможно обеспечить минимальный радиальный зазор на всех режимах работы с целью минимизации расхода воздуха на уплотнении.

Техническим результатом, достигаемым заявленным устройством, является снижение перетечек воздуха на уплотнении и увеличение ресурса графитового кольца и расширение области применения.

Указанный технический результат достигается тем, что известное контактное радиально-торцевое графитовое уплотнение ротора турбомашины, содержащее корпус, разделяющий масляную и газовую полости, графитовое кольцо в виде сегментов, установленное в корпусе и контактирующее с ним по торцу, крышку, установленную со стороны другого торца графитового кольца и зафиксированную в корпусе, осевую пружину, установленную между крышкой и графитовым кольцом, браслетную пружину, установленную между наружной поверхностью графитового кольца и внутренней поверхностью корпуса, а также контактную втулку, которую охватывает графитовое кольцо, и маслоподводящую втулку, установленные на валу и зафиксированные относительно последнего в осевом направлении, причем между контактной и маслоподводящей втулками образована кольцевая полость, сообщенная с масляной полостью, а со стороны внутреннего диаметра в маслоподводящей втулке выполнены маслоподводящие каналы, согласно настоящему изобретению содержит последовательно установленные в кольцевой полости набор термобиметаллических пластин, кольцевой элемент и осевую пружину, причем в маслоподводящей втулке выполнены сквозные отверстия, сообщенные с маслоподводящими каналами, а в кольцевом элементе выполнены сквозные каналы, сообщенные с масляной полостью, при этом термобиметалические пластины выполнены из материала с коэффициентом теплового расширения, большим, чем материал контактной втулки, с возможностью при нагреве смещения ими кольцевого элемента в осевом направлении до сообщения его сквозных каналов с сквозными отверстиями маслоподводящей втулки.

Такое выполнение устройства позволяет снизить перетечки воздуха на уплотнении за счет того, что на всех режимах работы сохраняется минимально возможный радиальный зазор между графитовым кольцом и контактной втулкой. Так как коэффициенты температурного расширения контактной втулки и графитового кольца значительно отличаются, то необходимо наличие механизма регулирования подачи охлаждающего масла на внутреннюю поверхность контактной втулки, обеспечивающего необходимые тепловые расширения. С увеличением температуры от трения контактного кольца об графитовое кольцо зазор уменьшается, и для сохранения его в нормальном состоянии необходимо увеличить подачу масла. Это достигается наличием термобиметаллических пластин, которые, нагреваясь от контакта с контактной втулкой и обладая большим коэффициентом термического расширения, деформируются в осевом направлении и смещают подвижную втулку, совмещая маслоподводящие сквозные каналы и сквозные отверстия. Когда температура снижается, зазор приходит в требуемое состояние, пластины геометрически возвращаются в первоначальное состояние и осевая пружина смещает кольцевой элемент, уменьшая подачу масла. Выполнение графитового кольца в виде сегментов (как минимум двух) позволяет избежать разрыва кольца на переходных режимах работы уплотнения. Таким образом, снижаются перетечки воздуха, минимизируется суммарное время трения и износа графитового кольца, что позволяет повысить частоту вращения ротора, ресурс и расширить область применения уплотнения по скоростному параметру.

Сущность настоящего изобретения поясняется фигурами чертежей,

На фигуре 1 изображен продольный разрез контактного радиально-торцевого графитового уплотнения ротора турбомашины (положение «открыто»).

На фигуре 2 изображен продольный разрез контактного радиально-торцевого графитового уплотнения ротора турбомашины (положение «закрыто»).

Контактное радиально-торцевое графитовое уплотнение ротора турбомашины содержит корпус 1, разделяющий масляную и газовую полости 2, 3, графитовое кольцо 4 в виде сегментов, установленное в корпусе 1 и контактирующее с ним по торцу, крышку 5 (выполненную, например, в виде разжимного кольца и кольцевой пластины как и в прототипе) установленную со стороны другого торца графитового кольца 4 и зафиксированную в корпусе 1, осевую пружину 6, установленную между крышкой 5 и графитовым кольцом 4, браслетную пружину 7, установленную между наружной поверхностью графитового кольца 4 и внутренней поверхностью корпуса 1, а также контактную втулку 8, которую охватывает графитовое кольцо 4, и маслоподводящую втулку 9, установленные на валу 10 и зафиксированные относительно последнего в осевом направлении, причем между контактной и маслоподводящей втулками 8 и 9 образована кольцевая полость 11, сообщенная с масляной полостью 2, а со стороны внутреннего диаметра в маслоподводящей втулке 9 выполнены маслоподводящие каналы 12.

Контактное радиально-торцевое графитовое уплотнение ротора турбомашины дополнительно содержит последовательно установленные в кольцевой полости 11 набор термобиметаллических пластин 13, кольцевой элемент 14 и осевую пружину 15, причем в маслоподводящей втулке 9 выполнены сквозные отверстия 16, сообщенные с маслоподводящими каналами 12, а в кольцевом элементе 13 выполнены сквозные каналы 17, сообщенные с масляной полостью 2, при этом термобиметалические пластины 13 выполнены из материала с коэффициентом теплового расширения, большим, чем материал контактной втулки 8, с возможностью при нагреве смещения ими кольцевого элемента 14 в осевом направлении до сообщения его сквозных каналов 17 с сквозными отверстиями 16 маслоподводящей втулки 9.

Во время работы уплотнения на малых режимах работы тепловыделение в зоне контакта графитового кольца 4 и контактной втулки 8 минимально. При этом кольцевой элемент 14 прижат осевой пружиной 15 к термобиметаллическим пластинам 13, а сквозные каналы 17 и сквозные отверстия 16 разобщены (см. фиг. 2). С повышением частоты вращения и повышением температуры от трения контактной втулки 8 об графитовое кольцо 4 зазор уменьшается. Термобиметаллические пластины 13 нагреваются от контакта с контактной втулкой 8 и, обладая большим коэффициентом термического расширения, деформируются в осевом направлении и смещают кольцевой элемент 14, совмещая маслоподводящие сквозные каналы 17 и сквозные отверстия 16 маслоподводящей втулки 9. Когда температура снижается, зазор приходит в требуемое состояние, термобиметаллические пластины 13 геометрически возвращаются в первоначальное состояние и осевая пружина 15 смещает кольцевой элемент 14, уменьшая подачу масла.

Таким образом, снижаются перетечки воздуха, минимизируется суммарное время трения и износа графитового кольца, что позволяет повысить частоту вращения ротора, ресурс и расширить область применения уплотнения по скоростному параметру.