Результат интеллектуальной деятельности: ЛАБИРИНТНОЕ УПЛОТНЕНИЕ

Изобретение относится к области машиностроения, преимущественно к авиационным газотурбинным двигателям, и может быть использовано в паровых и газовых турбинах и нагнетателях для перекачки газа и т.п.

Известно лабиринтное воздушное уплотнение между степенями компрессора для уменьшения утечек воздуха через зазор между гребешками уплотнения и неподвижной деталью [1]. Однако при малых зазорах возможно задевание гребешков о неподвижную деталь. В этом случае происходит наволакивание и взаимный перенос металла между вращающимися и невращающимися частями лабиринтного уплотнения, что приводит к повреждению деталей и к резкому увеличению радиального зазора. Как правило, такое уплотнение в случае касания требует замены, что затруднительно, т. к. роторы крупных газотурбинных двигателей являются неразборными.

Известно лабиринтное уплотнение, в котором для получения малых зазоров на неподвижные кольца статора нанесены графитотальковые или графитоалюминиевые уплотнительные покрытия [2].

Недостатками такого уплотнения являются скалывание и выветривание уплотнительного покрытия, особенно при больших ресурсах работы и при высоких температурах. Кроме того, графитотальковое или графитоалюминиевое покрытия наносят только с внутренней стороны невращающихся статорных деталей, т.к. при нанесении таких уплотнительных покрытий на вращающиеся роторные детали происходит отслаивание покрытий.

Техническая задача, решаемая изобретением, заключается в повышении надежности работы турбомашины путем исключения катастрофического износа уплотнения в случае касания гребешков уплотнения о неподвижную ответную поверхность лабиринта ротора.

Задача решается за счет того, что в лабиринтном уплотнении между статором и ротором турбомашины, включающем лабиринтные гребешки и ответную им цилиндрическую поверхность, согласно изобретению лабиринтные гребешки выполнены на фланце статора, а на ответную цилиндрическую поверхность лабиринта ротора нанесено антифрикционное серебристое покрытие. Причем толщина покрытия составляет 3 - 60 мкм.

В случае касания гребешком лабиринта ответной цилиндрической поверхности лабиринта ротора с нанесением на него серебряным антифрикционным покрытием, в зоне контакта образуется пара трения, аналогичная паре трения "ротор-статор" в подшипнике скольжения в случае выдавливания масляной пленки.

Покрытие служит твердой смазкой с высокими антифрикционными свойствами при температурах, развиваемых в зоне контакта гребешка лабиринта с ответной ему цилиндрической поверхностью ротора, который практически исключает взаимный перенос металла между вращающимися и невращающимися деталями. Покрытие сначала работает как твердая смазка, а затем в зоне контакта расплавляется, снижая при этом трение контактирующих деталей и предотвращая катастрофический износ уплотнения.

Для исключения растрескивания и отслаивания покрытия из-за разницы коэффициентов линейного расширения материалов лабиринта и покрытия, вышеназванное покрытие должно обладать высокими антифрикционными свойствами, иметь более низкую температуру плавления, чем основной материал, из которого изготовлен лабиринт. Для лабиринтного уплотнения турбины высокотемпературного двигателя, детали которого работают при T ≈ 600^oC и выполнены из никелевых сплавов, наилучшим покрытием является слой серебра толщиной 3 - 60 мкм. Серебряное покрытие "прилипает" лучше, когда слой тонкий (выше сцепление слоя с основным металлом). Минимальная толщина покрытия составляет 3 мкм. Толщина покрытия больше 60 мкм является нецелесообразной в силу экономии серебра и исключения растрескивания и отслаивания покрытия.

На фиг. 1 показано лабиринтное уплотнение турбины газотурбинного двигателя. На фиг. 2 - элемент I на фиг. 1 в увеличенном виде.

Лабиринтное уплотнение 1 состоит из неподвижного фланца 2 с лабиринтными гребешками 3, образующими между собой расширенные полости А. Фланец 2 неподвижно закреплен в опоре 4, в которой с помощью подшипника 5 установлен вал 6. На валу 6 закреплен вращающийся лабиринт 7 ротора, опирающийся через диск 1 турбины 8 на фланец 9 вала 6. Вращающийся лабиринт 7 имеет кольцевой фланец, осевой выступ 10 которого имеет цилиндрическую поверхность Б, на которую нанесено антифрикционное серебряное покрытие 11. Между неподвижным фланцем 2 и лабиринтом 7 существует радиальный зазор δ, через который в направлении к диску 8 перетекает уплотняемое рабочее тело (в данном случае - горячий воздух с температурой ≈ 600^oC).

Данное устройство работает следующим образом.

Воздух, перетекающий через радиальный зазор δ, последовательно расширяется в полостях А и теряет свою энергию. На режимах с ударными нагрузками, например, при приземлении самолета, с минимальной величиной зазора, возможно касание гребешков 3 фланца 2 статора о вращающийся выступ 10 лабиринта 7. При этом антифрикционное серебряное покрытие 11, нанесенное на цилиндрическую поверхность выступа 10 лабиринта 7, вначале работает как твердая смазка, а затем в зоне контакта быстро плавится, при этом коэффициент трения, тепловыделение и взаимный износ контактирующих деталей резко сокращается, тем самым предотвращая катастрофический износ уплотнения и повышая надежность работы турбомашины.

Источники информации
1. Скубачевский Г.С. Авиационные газотурбинные двигатели. Конструкция и расчет деталей, -М.: Машиностроение, 1974, с. 80, рис. 3.41.

2. Скубачевский Г.С. Авиационные газотурбинные двигатели. Конструкция и расчет деталей, -М.: Машиностроение, 1974, с. 80, рис. 3.39.