Міжвальне радіально-торцьове контактне ущільнення

*33 СОЮЗ СОВЕТСНИХ СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ РЄСПУБЛИН (19). (И) 6 F 16 J 15/34 ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИИ К АВТОРСИОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 3428278/25-08 (22) J9.O4.82 (72) А.В.Ефименко и Д.Г.Галушкин () 62-762(088.8) (53) (56) I. Патент США I 3743303, f 1, 1973 (прототип). (54) (57) 1 . МЕЖВАЛЬНОЕ РАДИАЛЬНОТОРЦОВОЕ КОНТАКТНОЕ УПЛОТНЕНИЕ, содержащее установленное в канавке кольцедержателя уплотнительное кольцо с разгрузочными канавками, соединенными с каналами и выфрезеровками, и уплотнительяыми поясками, причем на одном торце кольца уплотни тельный йоясок выполнен у дна канавки кольцедержателя, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения надежности и эффективности работы уплотнения на переходных режимах, в кольце выполнены внутренние ради:т альные каналы, соединяющие разгрузочные канавки и выфрезеровки на наружной поверхности кольца с внутренней поверхностью кольца. 2. Уплотнение по п.1, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что на другом торце кольца выполнен дополнительный поясок, расположенный у дна канавки кольцедержателя. \ І А 2 1 ІОЬ997 9 рой постоянно находится кольцо в Изобретение относится к машиномежвальном уплотнении. строешпо, а именно к газотурбинному Указанная цель достигается тем, машиностроению, в частности к радичто в межвальном радиально-торцовом ально-торцовым кольцевым контактным уплотнениям для разделения масляных 5 контактном уплотнении, содержащем установленное в канавке кольцедержаи воздушных полостей, в которых уп~ теля уплотнительное кольцо с разгрулотнительное кольцо расположено межзочными канавками, соединенными с ду двумя вращающимися ралами. отверстиями и выфрезеровками, и улИзвестно межвальное контактное уплотнение, которое содержит наруж- 'О лотнительными поясками, в кольце выполнены внутренние радиальные кананый вал, вращающийся с большими оболы, соединяющие разгрузочные канавки ротами, и внутренний вал - кольцеи выфрезеровки на наружной поверхносдержатель, вращающийся с меньшими ти кольца с внутренней поверхностью оборотами, между валами в канавке кольца. Это способствует повышению кольцедержатєля установлено уплот15 давления воздуха в замкнутом объеме нигельное кольцо 0 1 • между кольцом и внутренней поверхКольцо имеет уплотнительный пояностью охватывающего вращающегося васок на торце полости низкого давлела. Эти каналы имеют выход в местах ния, расположенный у дна канавки кольцедержатєля, а также разгрузоч- 20 расположения выфрезеровок, что улучшает распределение нагнетаемого возиые канавки, соединенные между содуха в полостях, образованных канавбой выфрезеровками и отверстиями с ками и выфрезеровками кольца по его полостью высокого давления. наружной поверхности у внутренней На торце полости высокого давлеповерхности охватывающего вала. ния у дна канавки кольцедержателя 25 Воздух с повышенным давлением обесна кольце проточен уступ. печивает газовую смазку в зоне трёПо наружной цилиндрической поверхішя кольца о радиальную поверхность. ности кольца имеется одна разгрузочПовышение давления в указанной зоне ная канавка, полость которой соединена с открытыми выфрезеровками. ' 30 создает силу, направленную к оси вращения ротора, что уменьшает удельУказанное уплотнение теряет свою L ное давление и износ кольца по на* эффективность при перемене знака ружной радиальной поверхности. * перепада давлений, поскольку широМежвальное радиально-торцовое упкий диапазон изменения давлений нельзя полностью компенсировать под- з 5 лотнение будет более эффективно,если на обоих торцах кольца уплотнитель— ' бором канавок, поясков и выфрезеровные пояски будут расположены у дна кой в такой конструкции. При обратканавки кольцедержателя, поскольку ном перепаде давлений торец с уступри изменении знака перепада давления пом прижимается к торцу канавки кольцедержателя, кроскальэывает и под40 уплотнение будет работать одинаково эффективно как одним, так и другим вергается износу. Это снижает наторцом. дежность и долговечность уплотнения. На фиг.! представлен продольный Кроме того, при сборке кольцо моразрез уплотнения; на фиг.2 - разжет быть случайно установлено обратной стороной относительно предпола- 45 рез А~А на фиг.ї; на фиг.З - разрез Б-Б фиг.2; на фиг.4 - разрез Б-В гаемых полостей давления, что привофиг.2; на фиг.5 - разрез Г-Г фиг.1. дит к потере его эффективности. Уплотнение содержит наружный Целью изобретения является повывал I и внутренний вал-кольцедержашение наделено с ти и эффективности работы уплотнения на переходных ре- 50 тель 2 и расположенное между валами уплотнительное кольцо 3. жимах путем увеличения осевой силы от неуравновешенных газовых сил для улучшения быстродействия кольца при перемене знака перепада давления посредством оптимизации положения 55 уплотнительных поясков на торцах кольца, а также использование центробежной силы, в поле действия кото Вал 1 имеет уплотнительную радиальную поверхность А, 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, име 059979 4 вала 2, взаимодействует с радиальной ет унлотнительную радиальную поверхповерхностью 4 вала 1 и в зависимосность 8 и две равноценные уплотни- >і ти от режима работы турбомашины с тельные торцовые поверхности 9 и 10. уплотнительной поверхностью 6 или 7 На уплотнительной наружной радивала 2. альной поверхности 8 кольца 3 распоРассмотрим три случая работы уплотложены два разнесенні . по оси упх нения , наиболее характерные для галотнительных пояска II и 12, осевая зотурбинного двигателя. протяженность каждого из которых оп1. Расчетный. Работа уплотнения ределяется соответствующими торцовыми поверхностями 9 и 10 и кольцевыми 10 ПРИ превышении давления в воздушной полости над давлением масловоздушной 'разгрузочными канавками 13 и 14, а их смеси в масляной полости (Р1 > Р г ) . минимальная ширина - 0,8 мм. 2. Работа уплотнения при равенстве Поясок 15, расположенный между давлений в воздушной и масляной полоскольцевыми разгрузочными канавками 13 и 14, имеет равнорасположенные по 15 тях (Р1 = Р а ) . окружности разгрузочные выфрезеровки 3. Работа уплотнения при превыше16, образующие при сопряжении с уплотнии давления в масляной полости над нительноЛ поверхностью 8 острые угдавлением воздуха в воздушной полослы с £фиг.5) в поперечном сечении. С р,). ти Полость между дном канавки кольце— В первом случае на расчетном ре20 пеожателя 2 и внутренней радиальной жиме турбомашины уплотнение работает поверхностью кольца 17 сообщена с последующим образом. лостью выфрезеровки 16 посредством Уплотнительное кольцо 3 под дейстрадиального канала 18. вием давления воздуха, сил упругости Каждая из торцовых поверхностей 25 и центробежной силы взаимодействуют с уплотнительной радиальной поверх-1 9 и 10 кольца 3 имеет уплотнительный ностью 4 вала 1 и уплотнительной попоясок 19, кольцевые разгрузочные верхностью 6 вала 2, вращающихся в канавки 20 и 21 и радиальные разгруодну сторону с разными частотами. зочные профрезеровки 22, образующие опорные пояски 23 и 24. Радиальные 30 Уплотнение осуществляется уллотнительными поясками 19, взаимодейстразгрузочные профрезеровки 22 при вующими с уплотнительной поверхсопряжении с поверхностью 6 или 7 ваностью 6 вала 2, и уплотнительным ла 2 образуют острые углы У в проЗ пояском И , взаимодействующим с упдольном сечении (фиг.З). лотнительной радиальной поверхностью Радиальная протяженность уплотни35 4 вала 1. тельного кольца 3 определяется суммаьой площадью опорных поясков 23, 24 В зависимости от соотношения неи уплонительного пояска І 9, удельное уравновешенных осевых и радиальных давление на которых при контакте с сил, действующих на уплотнительное уплотнительной поверхностью 6 вала 2 кольцо 3, скорость проскальзывания с 40 от действия осевых газовых сил при уплотнительных поверхностей 9 и 8 самых неблагоприятных условиях не пре- относительно соответствующих уплотнивышает 0,4 кгс/см . Минимальная рательньгх поверхностей 6 и 4 валов 2 диальная протяженность уплотн^тельи 1 может изменяться от 0 до максиных поясков 19 составляет 0,8 мм. ^5 мальной. Например, при максимальной скорости проскальзывания относительно Глубина 25 разгрузочных канавок поверхности 6 вала 2 кольцо неподвиж20,21, а также глубина 26 разгрузочно относительно уплотнитепьной радиных радиальных профрезеровок 22 поальной поверхности 4 вала 1 и наоборот зволяет надежно работать уплотнитель-' ному кольцу 3 в случае истирания его 5 о торцовой поверхности, происходящего Уплотнительное кольцо 3,*располопри длительной работе уплотненрія. женное между двумя вращающимися в од1Гу сторону валами 1,2, также будет Величина зазора 27 при контакте вращаться в диапазоне частот, миниушютнителъного кольца 3 с поверхностью 4 вала 1 составляет 0,0555 мальная величина которых соответствует частоте вращения тихоходного ва0,25 мм. ла, а максимальная - частоте вращеУплотнительное кольцо 3, свободно ния быстроходного вала. установленное в копьцевой канавке 5 059979 Исходя из этого, кольцо 3, а заодно с ним и воздух, находящийся в радиальном канале 18 и выфрезеровках 16, масловоздушная смесь, находящая-*- 5ся в объемах, определяемых разгрузочными профрезеровками 22 и сопрягаемой уплотни тельной поверхностью 6 вала 2, воздух, находящийся в объеме, определяемом величиной зазора 10 27 в месте разреза кольца и уплотнительной поверхностью 6 вала 2, будут постоянно находиться под действием центробежной силы. Следовательно, благодаря наличию 15 второго уплотнительного пояска 12 воздух в канале 18, выфрезеровках 16 и в зазоре 27, а значит, и в разгрузочных канавках 13,14 будет находиться под давлением, превышающим 20 Р^ , что создает дополнительную разгрузочную силу, уменьшающую давление уплотннтельной поверхности 8 кольца 3 на сопрягаемую уплотнительную поверхность 4 вала 1. 25 Центробежная сила, действующая на масловоздушную смесь в объемах, определяемых разгрузочными профрезеровками 22 и сопрягаемой уплотнительной поверхностью 6 вала 2, созда-30 ет в них разрежение, увеличивающее осевую неуравновешенную силу от действия перепада давления между воздушной и масляной полостями. Идеальным соотношением неуравно- 35 вешенных осевых и радиальных сил, действующих на уплотнительное кольцо, является их равенство. Однако ввиду обычно больших центробежных сил по сравнению с осевыми 40 допустимым является такое соотношение сил, при котором они отличаются друг от друга нр более, чем в три раза. Наличие радиальных каналов, вы45 фрезеровок, торцовых профрезеровок на кольце при известных соотношениях их длин, величины площади каналов и глубин позволяет обеспечить требуемое соотношение между неуравновешен- 50 ными силами. ла 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 оС и / в выфрезеровках 16 и 3 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 выфреэеровках 16 и радиальном канале 18 на воздух воздействует центробежная сила, которая вызывает повышение давления воздуха в замкнутом объеме, определяемом уплонительными поясками IJ,J2, 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 маеловоздушной 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 доВ случае проскальзывания кольца 3 пускает утечки масловоздушной смеотносительно поверхности 4 пограничси в осевом направлении по поверхный слой воздуха, находящийся в ности 4 вала і из масляной полости выфрезеровках 16, увлекается поверх- 55 в воздушную. ностью 4 вала 1 в сужающийся канап. Режим работы кольца с зазорами по Этим создается дополнительная воздушторцам неустойчив, а поэтому кратконая смазка между поверхностью 4 вавременен . 8 059979 ла 1 уплотнение создается по В случае повышения давления в пояску 1I. масляной полости над давлением в возРабота уплотнения з этом случае душкой полости уплотнительное кольцо под действием неуравновешенной осеаналогична его работе при прямом вой газовой силы переместится до кон-5 перепаде давлений (Р^ > Р г ). такта с поверхностью 7 вала 2. Уплотнительное кольцо имеет две оди Технико-экономический эффект изобпаковые угоютнительные поверхности. ретения заключается в повышении надежности уплотнения, в удешевлении При контакте уплотнительнои поверхности 10 с поверхностью 7 ва- *0 изготовления и возможности использования одного кольца вместо двух. А-А .2 в-в В- Б Фиг.д 26 • ФыгА 059979 r-r Редактор И.Стрельникова Заказ 4444/ДСП Составитель к.Ополченцев Техред М.Гергель ' Корректор А.Зимокосов Тираж 533 Подписное ВНИИЇЇИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий 1)3035, Москва, ЛК35, Раушская наб., д.4/5 Филиал ППП "Патент", г.Ужгород, ул.Проектная,4