Лабіринтове ущільнення

Технічне рішення, що заявляється, відноситься до засобів ущільнювальної техніки для запобігання або мінімізації внутрішні х витоків робочого середовища , зокрема - між ротором і статором, за допомогою лабіринтових ущільнень. Звичайно і ущільнення між ротором і статором містять ряд паралельних лабіринтних гребінців (щонайменше, два), які знаходяться на деталі, що ущільнює, а також протилежну деталь, що ущільнюється. Повер хні , утво рені бічними стінками лабі рин тни х гребі нці в і по ве р хне ю де та лі, що ущільнює, між гребінцями в сполученні з про тилежною повер хне ю де талі, що ущільнюється, утворюють незамкнуті порожнини. Між гребінцями і поверхнею де талі , що ущі льнюється , є зазор , через який відбувається ви тік робочого середовища (звичайно - газу) з порожнини з більшим тиском у порожнину з меншим тиском. Для зменшення такого витоку між порожнинами згаданий зазор необхідно витримувати на мінімальному рівні, але при цьому забезпечити відсутність дотику гребінців з поверхнею деталі , що ущільнюється. У противному випадку від тертя буде відбуватися локальне нагрівання поверхонь, які труться, що призводить до зварювання їх між собою і до механічних ушкоджень. На вибір мінімального зазору з гарантією від дотику впливає багато факторів: відхилення від співвісності між ротором і статором, точність виготовлення деталей ротора й статора, їхні деформації при роботі, вібрації, температурні розширення, режими роботи машини й т.д. Звичайно кожний екземпляр машини має свої особливості, і величини зазору повинні бути різними. Том у при серійном у ви робництві ма шин з викори станням лабі рин тови х ущі льнень вдаються до гаранто вани х зазорів, які розрахо вані за крайніми відхиленнями, що припустимі у виробництві, складанні й експлуа тації, свідомо ідучи на збільшення витоку газу між порожнинами, або ж вдаються до лабіринтових ущільнень, що приробляються. Лабіринтне ущільнення, що приробляється, виконується із гребінцями, які при роботі контак тують із повер хне ю де талі , що ущільнюється. У цьом у випа дк у можливі два варіанти виконання лабіринтового ущільнення: 1. Матеріал гребінців лабіринтного ущільнення вибирається таким, щоб його зно состійкість була менше зносостійкості протилежній повер хні, і в такий спосіб при роботі стираються гребінці лабіринтного ущільнення. 2. Зносостійкість гребінців ви ще зносостійкості протилежній поверхні й при роботі стирається матеріал останньої. У цей час добре відомі різноманітні виконання лабіринтних ущільнень. Ві домо лабір ин тн е ущі ль нен ня з кі ль це вим и гре бін цями , вико нан ими з ме та ле ви х стрі чок [ди в. Ма р цинк о вски й В.А. "Ще ле вые уп л о тн ен ия : тео ри я и прак тик а", ви да вн ицтво С умсько го держа вно го ун і ве рси те ту, С ум и, 200 5.-с.386]. Ця конструкція допускає врізання гребінців у випадку контакту з деталлю, що ущільнюється, до сить проста у виробництві , оскільки не потребує дода тково ї обробки деталі, що ущільнюється, і допоміжних конструктивних елементів. Однак це рішення не позбавлене недоліків. Вершини гребінців у випадку значного врізання швидко зношуються внаслідок локального нагрівання як вершин гребінців, так і деталі, що ущільнюється. Крім того, прямі гребінці мають низьку міцність при бічному наван таженні, тому можуть легко де формува тися при виготовленні, складанні й особливо при експлуатації. Також відомо лабіринтне ущільнення із гребінцями, що приробляються [див. АС СРСР №1546763, заявник Тернопільська філія Львівського політехнічного інституту, заявлено 07.05.1988, опубліковано 28.02.1990]. У загальній поздовжній осі цього пристрою, між деталлю, що ущільнюється (вал ротора) і деталлю, що ущільнює (ста тором), розташована велика кількість кілець однакового зиґзаґоподібного перетину в осьовому напрямку. Зиґзаґи кілець ідентичні між собою. Згадані кільця по внутрішній окружності встановлені із зазором щодо деталі, що ущільнюється (вал ротора) і жорстко взаємопов'язані з деталлю, що ущільнює, яка виконана у вигляді обойми, що в свою чергу складається з напівобойм. При ць ом у з иґзаґ опо ді бн і кі льця , к ожне , біль шо ю сво єю окр уж ні стю жор стко прикріплені до загальної основи вставки, охопленої згаданими напівобоймами статора. Тим самим вони утворюють багато окремих гребінців, зиґзаґоподібних в осьовому напрямку, вільних по внутрішній окружності й жорстко скріплених між собою по зовнішній. У відомому технічному рішенні матеріал гребінців має меншу зносостійкість, ніж матеріал протилежної поверхні деталі, що ущільнюється, внаслідок чого при роботі зношуються вершини ци х гребінців, а форма гребінців і їхній матеріал дозволяють зберігати зазор незмінним. Гребінці в цій конструкції виконані з полімерних матеріалів, не мають високої міцності і не можуть працювати при підви щених температура х. Про те, для таких умов можливий підбор матеріалів з необхідними характеристиками. Виходячи з ви ще викладеного, це те хнічне рішення по сукупності ознак і близькості технічних результатів було обрано за прототип. Осн о вни м з а вда нн ям , що сто я ло п ер е д а вто р ом , було ство ре нн я лабіринтного ущільнення, яке дозволило б одержати певний технічний результат, що складається з декількох взаємопов'язаних технічних результатів, а саме: - підви щення надійно сті й до вго ві чності лабірин тно го ущільнення разом із простотою й те хнологічністю конструкції, а також забезпечення її працездатності в області високих температур поряд з: - підви щенням кое фіці єн та корисно ї ді ї ма шини шля хом мінімізації ви ток у робочого середовища через ущільнення, а значить втрати робочого тіла, завдяки підтриманню оптимального зазору між ротором і статором у процесі роботи. Поста влен е завдання вир і шується тим , що у ві домом у ла бірин тном у ущільненні, яке знаходиться між співвісно розташованими деталлю, що ущільнює, й де таллю, що ущільнюється, утворене гре бінцями кілець зиґзаґоподібного перетину, установлени х із зазором щодо деталі, що ущільнюється, і жорстко взаємопов'язаних з деталлю, що ущільнює зроблені вдосконалення. Удосконалення в першу чер гу полягає в том у, що згадані кільця виконані кожне у ви гляді стрічки, зиґзаґоподібної в окружному перетині. Зиґзаґоподібний в окружному перетині лабіринт стрічки забезпечує значне збільшення зони охоплення ущільнювальним кільцем місця ущільнення, а, отже, підвищує е фективність ущільнення. Згадані кільця зиґзаґоподібного перетину можуть бути встановлені кожне в окремі кільцеві канавки, послідовно розташовані на деталі, що ущільнює, й концентрично ві дкриті в напрямку дета лі, що ущі льнюється . Це дозволяє, в залежності від технічни х вимог, які висуваються до об'єкта техніки, оптимізувати виток робочого тіла в місцях ущільнень. Згаданий технічний результат досягається більш успішно, якщо будь-який плоский відрізок зазначеної стрічки кільця буде розта шо ваний під к утом, рівним 10°...35° до площини, перпендикулярної поздовжньої осі. При цьому відстань між згаданими стрічками визначається рівністю: с=(1,1...2 ...2,0)b, де с - згадана відстань між стрічками; b - відстань між точками екстремуму зиґзаґу стрічки. Це, у свою чер гу, доз воляє виключи ти злипання сусідні х стрі чок під навантаженням. Технічне рішення, що заявляється, пояснюється кресленнями, де на: - Фі г.1 представлене просторове зображення лабіринтного ущі льнення, що заявляється; - Фіг.2 наведений повернений збільшений перетин Е-Е Фіг.1. - Фіг.3 представлений вид Д Фіг.1. Це технічне рішення реалізується в такий спосіб. С трі чка 1 (ди в. Фі г.1 , Фі г.2 ), то вщино ю t (ди в. Фі г.3), як а викон ана з металево го сплаву та має зиґзаґоподібн у форм у, одним сво їм торцем 2 (ди в. Фі г.2) жорстко кріпиться у пазу 3 деталі 4, що ущільнює, створюючи при цьому гребінець 5. А другим своїм торцем утворює вершин у 6 гребінця 5. Між вершиною 6 гребінця 5 і протилежною поверхнею 7 деталі 8, що ущільнюється, є зазор а. Зазо р а ви би ра єть ся мі нім аль ним ві дом им спо со бом , ви хо дя чи з умо в виготовлення й складання ущільнення. Металевий сплав стрічки 1 вибирається таким чином, щоб його зносостійкість була менше зносостійкості матеріалу протилежної поверхні 7 деталі 8, що ущільнюється. При цьому відстань між точками екстремум у зиґзаґу з гаданої стрічки 1 становить величину b (див. Фі г.3), а прямі відрізки 9 зиґзаґу стрічки 1 знаходяться під кутами a і b до площини Р, яка перпендикулярна поздовжньої осі L. При по хи бка х ск ладання к ути a і b з вичайн о не рі вні , однак це не впли ває на досягнення зазначених те хнічних результатів. Друга така стрічка 10, установлена аналогічним способом на відстані с від першо ї стрічки 1, утворює др угий гребінець 11 (див. Фіг.2) з вершиною 12 і т.д. Поверхні, утворені бічними стінками 13 і 14 лабіринтних гребінців 5 і 11 відповідно в сполученні з по вер хнею 7 де талі 8 , що ущільнюється , утворюють незамкнуту порожнину К, яка розділяє порожнини А и В, тиск в яких різний, і ця порожнина К обмежує витік робочого середовища з однієї порожнини в іншу. Для досягнення зазначених те хнічних результа тів повинні дотримува тися наступні умови: 1 . a =10 °...35°, b =1 0° ...35 ° ; 2. с=(1,1...2...2,0)b. Таким чином , ла бірин тне ущільнення , зіб ране відпо відн о до те хні чно го рі шення , що заявляється , під час робо ти буде обмеж ува ти ви тік ро бочо го середови ща через зазор а відомим способом, а вершини 6 і 12 гребінців 5 і 11 відповідно, маючи меншу зносостійкість, чим зносостійкість поверхні 7, будуть стира тися в випа дк у кон такту з останньо ї, зали ша ючи з азор а мініма льно можливим на протягом роботи машини. Підви щення н адійн ості й до вго ві чності кон стр укції, що зая вля ється , у порівнянні з відомими рішеннями забезпечується тим, що у випадк у контакту ве р шин 6 і 12 гре бін ці в 5 і 11 з п ро ти лежно ю по вер хн ею 7 де та лі 8 , що ущільнюється: - внаслідок ві дсутності ділянок стрі чки, що перебува ють у пло щині Р (виконання згаданої умови 1), буде відбуватися тертя по широкій поверхні 7 деталі 8, що ущільнюється, наслідком чого буде ефективне розсіювання виділеного тепла й зниження температури останньої. Таким чином, де формація й зношення буде відбува тися тільки в гребінця х 5 і 11, які перебувають у контакті з повер хнею 7 і мають більш високу температуру. - виключа ється з липа ння гребінців 5 і 1 1 під н аван таженням (виконання умови 2). Працездатність те хнічно го рішення, що заявляється, підтверджується позитивними результатами його випробувань, які наведені далі. Приклад 1. Лабіринтне ущільнення, зібране відповідно до те хнічно го рішення , що заявляється, було встановлено на дослідній установці ДП «Івченко-Прогрес», яке імітує умови роботи ущільнення. Параметри ущільнення наступні: - товщина стрічки t-0,2мм; - висота гребінця - 4мм; - ширина зиґзаґа стрічки b=1,2мм; - кут a дорівнює куту b і дорівнює 12°; - відстань між гребінцями (стрічками) с=1,1b=1,3мм; - матеріал гребінців (стрічки) - 12Х18Н10Т; - матеріал деталі, що ущільнюється, - ХН77ТЮР; Умови роботи: - середовище повітряне; - швидкість обертання ротора - 200м/сек; - заданий зазор а - 0,5мм; - температура робочого середовища 200°С; Після проведення випробувань були отримані наступні результати: зношення лабіринтни х гребін ців у місці дотик у - 0 ,66мм; зно шення ди ска по зо вні шньом у діаметрі 0,01мм; тріщин на гребінцях і диску не виявлено. Приклад 2. Параметри ущільнення: - товщина стрічки t-0,15мм; - висота гребінця - 4,5мм; - ширина зиґзаґа стрічки b=2,25мм; - кут a дорівнює куту b і дорівнює 12°; - відстань між гребінцями (стрічками) с=1,5b=1,3мм; - матеріал гребінців (стрічки) - ХН78Т; - матеріал деталі, що ущільнюється, - ХН77ТЮР; Умови роботи: - середовище повітряне; - швидкість обертання ротора -180м/сек; - заданий зазор а - 0,4мм; - температура робочого середовища 400°С; Після проведення випробувань були отримані наступні результати: зношення лабіринтни х гребін ців у місці дотик у - 0 ,68мм; зно шення ди ска по зо вні шньом у діаметрі 0,01мм; тріщин на гребінцях і диску не виявлено. Приклад 3. Параметри ущільнення: - товщина стрічки t-0,25мм; - висота гребінця - 5мм; - ширина зиґзаґа стрічки b=5,75мм; - кут a дорівнює куту b і дорівнює 30°; - відстань між гребінцями (стрічками) с=1,9b=11мм; - матеріал гребінців (стрічки) - ХН78Т; - матеріал деталі, що ущільнюється, - ХН62БМКТЮ; Умови роботи: - середовище повітряне; - швидкість обертання ротора - 300м/сек; - вихідний зазор а - 0,6мм; - температура робочого середовища 700°С; Після проведення випробувань були отримані наступні результати: - зношення лабіринтних гребінців у місці дотику - 0,67мм; зношення диска по зовнішньому діаметрі 0,02мм; - виявлено незначні трі щини на гребінцях, які не впливають на надійність конструкції.