Динамічне щіткове ущільнення, турбіна, яка містить таке ущільнення, і газотурбінний двигун

1. Щіткове ущільнення, утворене неметалевими щетинками, призначене для забезпечення непроникності зазору між ротором (18) і статором, що містить кожух для щетинок (4), закріплений на роторі або на статорі, при цьому кожух включає в себе: внутрішню оболонку (2), на яку намотані щетинки, і зовнішню оболонку (10), яка оточує щетинки, причому щетинки спрямовані радіально назовні від ротора або статора, вхідне кільце (6) і вихідне кільце (8), розміщені між зовнішньою оболонкою (10) і щетинками (4), причому вхідне і вихідне кільця включають в себе вигнуту ділянку, що оточує щетинки, намотані на внутрішню оболонку, при цьому на щетинки діє, з одного боку, вхідний тиск і, з іншого боку, вихідний тиск, причому вхідний тиск перевищує вихідний тиск, яке відрізняється тим, що щетинки (4) спираються на статор 2 (19) 1 3 96588 4 забезпечення шляхом деформації кожуха статичної непроникності між кожухом і посадочним місцем (34) для кожуха. 13. Турбіна або компресор газотурбінного двигуна, які відрізняються тим, що містять щіткове ущільнення за одним з пп. 1-12. 14. Газотурбінний двигун, який відрізняється тим, що містить турбіну і/або компресор за п. 13. Винахід стосується динамічного щіткового ущільнення для забезпечення ущільнення між ротором і статором. Щіткові ущільнення подібного типу використовуються, зокрема, для забезпечення ущільнення між оболонкою, що містить повітря, і оболонкою, що містить повітряно-масляну суміш, або ущільнення між двома оболонками, які містять повітря, компресорів високого і низького тисків і на рівні турбін високого і низького тисків. Винахід стосується, зокрема, щіткового ущільнення, утвореного неметалевою щетиною, здатною забезпечити ущільнення повітряного зазору між ротором (18) і статором, який містить кожух (4) для щетини, розміщений між ротором і статором, причому щетина піддається, з одного боку, вхідному тиску, і, з іншого боку, вихідному тиску, при цьому вхідний тиск перевищує вихідний тиск. Використовувані в цей час в цих цілях ущільнення є ущільненнями лабіринтного типу, що містять кільцеві зубці, які називаються «скибками», виконаними навпроти кільця з більш м'якого матеріалу, який називається стираним, і мають множину обмежень по поперечному перерізу, що викликають втрату навантаження, і, отже, зменшення продуктивності. Таке ущільнення пропускає значну кількість повітря, і, отже, газотурбінний двигун споживає мастило, що призводить до збільшення вартості і, крім того, забруднює навколишнє середовище. З патенту ЕР 1517006 відоме щіткове ущільнення, яке забезпечує непроникність порожнини для відбору повітря в кабіну. Ця порожнина, з одного боку, обмежена зовнішньою обичайкою компресора і кільцевою структурою, пов'язаною з обичайкою і, з іншого боку, зовнішнім картером решітки дифузора, при цьому зовнішній картер і зовнішній кожух картера двигуна пов'язані опорною стійкою. Ущільнення містить щетину, яка радіально спрямована назовні і спирається на внутрішню поверхню одиночного циліндричного рукава, розташованого окремо від кільцевої структури і оточуючого щіткову прокладку. Ущільнення такого типу забезпечує статичну непроникність, для якої проблеми зносу не розглядаються. Відомо також з патенту US 5400586 самоустановлювальне щіткове ущільнення для камери газової турбіни. Газова турбіна містить камеру згорання, яка має на вихідному кінці проміжну деталь, відділену від сопла першого рівня. Непроникне ущільнення містить щетину, що знаходиться в контакті з герметичною обичайкою, яка робить непроникним простір між проміжною деталлю і соплом першого рівня. Ущільнення цього типу також є статичним, для якого проблеми зносу не ставляться. Відомі також металеві щіткові ущільнення, які були об'єктом застосування в газотурбінних двигу нах з 50-х років. Важливою в цій технології є вимога використання підтримуючої арки для щетинок в місці найбільшого опору тиску (заднє кільце). Внаслідок цього є збільшення жорсткості щетини до тиску, який пропорційно прикладається, що може викликати підвищений знос щіток, якщо за таких умов зменшиться зазор. Найменший контакт з ротором викликає швидкий знос ущільнення і погіршення характеристик непроникності. Задачею даного винаходу є створення динамічного щіткового ущільнення, яке усуває недоліки відомих пристроїв. Ця задача вирішується за рахунок того, що щетинки спираються на статор або ротор з нахилом з боку ущільнення з малим тиском, тобто з боку вихідного тиску. Завдяки такій характеристиці пружність щетинок, які забезпечують контактний тиск на ротор або статор, урівноважується аеродинамічною підіймальною силою, яка підіймає щетинки від їх контактного місця, результатом чого є мінімізація контактного тиску на ротор або статор. Таким чином, знос ущільнення є найменшим. В оптимальному режимі існує невеликий зазор, через який проходить слабкий потік повітря, але мастило, що міститься в масляно-повітряній суміші (повітря з крапельками масла), утримується у вихідній частині ущільнення, таким чином мастильні втрати повністю виключені. Щетинки нахилені в напрямку потоку на кут , що складає від 5° до 45°, переважно між 10° і 30°. У переважному варіанті здійснення кожух містить внутрішню оболонку, на яку намотана щетина, і зовнішню оболонку, яка оточує щетину. Переважно, щоб щіткове ущільнення містило вхідне кільце і вихідне кільце, розміщене між зовнішньою оболонкою і щетиною. Переважно, щоб внутрішня оболонка і зовнішня оболонка були виконані С-подібною формою. Переважно також, щоб щіткове ущільнення містило спіральну пружину, розміщену в центрі внутрішньої оболонки, причому цю функцію може однаково виконати будь-яке еластичне кільце. Переважно також, щоб вихідне кільце мало скошену кромку. Переважно також, щоб щіткове ущільнення було встановлене на супорті, а згаданий супорт містив посадочне місце, в якому розміщений кожух для щетини і стопорне кільце для іммобілізації кожуха для щетини в посадочному місці. Переважно також, щоб вихідне кільце було більш коротким, ніж супорт, а супорт мав форму дуги, на яку спираються щетинки, щоб прийняти викривлену форму. Переважно також, щоб стопорне кільце зминало кожух для того, щоб за допомогою деформації кожуха забезпечити статичну герметичність між кожухом і посадочним місцем для кожуха. 5 Винахід належить також до турбіни або компресора газотурбінного двигуна, які містять щіткове ущільнення відповідно до винаходу. Нарешті, винахід стосується газотурбінного двигуна, що містить турбіну і/або компресор, забезпечені щітковим ущільненням, відповідно до винаходу. Надалі винахід пояснюється нижченаведеним описом, який не є обмежувальним, з посиланнями на супроводжуючі креслення, на яких: фіг. 1 зображує вигляд в аксонометрії щіткового ущільнення відповідно до винаходу; фіг. 2 зображує схематичний вигляд в розрізі, який показує вигин щітки; фіг. 3А детально представляє контактний тиск щетинок на ротор; фіг. 3В детально представляє відхід щетинок від ротора; фіг. 4 зображує криву, яка представляє рівень зносу в залежності від тиску щетинок на ротор; фіг. 5 зображує варіант щіткового ущільнення, поданого на фіг. 1, що містить скошену кромку; фіг. 6 зображує в аксонометрії вигляд ущільнення, розміщеного в посадочному місці; фіг. 7 зображує варіант здійснення, в якому ущільнення містить заднє кільце і в якому посадочне місце містить дугу для підтримки щетинок. На фіг. 1 щіткове ущільнення містить внутрішню оболонку 2 С-подібної форми, відкриту вгору. Щетинки 4, які створюють щітку, намотані на цю внутрішню оболонку. Щетинки утримуються на вході вхідним кільцем 6 і вихідним кільцем 8. Вхідне кільце 6 і вихідне кільце 8 утримуються на місці зовнішньою оболонкою 10 С-подібної форми, відкритою вниз. Крім того, всередині внутрішньої оболонки 2 розміщена спіральна пружина 12. Кут  складає від 5° до 45° і переважно від 10° до 30°. Щітка 4 утворена щетинками вуглецю діаметром приблизно 6 мкм. Товщина шару коливається від одного міліметра до чотирьох міліметрів в залежності від використання. На фіг. 2 зображений монтаж ущільнення. Позицією 14 позначена вільна довжина щетинок, а позицією 16 позначена висота щетинок 4 під заднім кільцем, викривлених упором в статор 18. Кут щетинок відносно перпендикуляра до поверхні ротора 18 позначений буквою . Радіус кривизни на їх кінцях позначений буквою . Внутрішня оболонка 2, зовнішня оболонка 10, вхідне і вихідне кільця 6, 8 утворюють кожух. На фіг. 3А щетинки 4 спираються на ротор 18. Щетинки 4 зазнають впливу вхідного тиску і вихідного тиску, різниця між якими утворює диференціальний тиск 20. Щетинки 4 чинять контактний тиск 22 на ротор 18. Цей контактний тиск 22 зменшується диференціальним тиском 20, який намагається підійняти щетинки над ротором 18. У противагу металевому щітковому ущільненню винахід не направлений на подолання тиску зовнішньої арки, яка підтискає щетин 96588 6 ку до заднього кільця. Більш того зазор від заднього кільця дозволяє щітці переміщуватися між ротором і кільцем. Як показано на фіг. 3В, щетинки можуть підійматися від опори на статор 18. Існує, таким чином, невеликий зазор між кінцями щетинок і статором 18, що викликає витік в цей зазор. Даний винахід дозволяє регулювати величину витоку. Після монтажу є відхилення щетинок під заднім кільцем 8. Аеродинамічні впливи, вільно виникаючі при функціонуванні по поверхні, можуть підіймати щетинки над ротором при підвищеному диференціальному тиску. Характеристика проникності значно нижча 2,5 бар, однак з'являється знос, який зменшується з пониженням тиску. Пристосовують жорсткість на вигин щетинки до тиску, який треба герметизувати, таким чином, щоб зменшити при роботі нормальний контактний тиск і, отже, знос ущільнення. На фіг. 4 зображена крива, яка представляє зміну рівня 26 зносу в залежності від тиску 28 щетинок на ротор. Як видно, рівень зносу залежить безпосередньо від тиску щетинок на ротор. При тиску щетинок, який дорівнює 100 %, рівень зносу є максимальним, потім рівень зносу зменшується разом із зменшенням тиску до досягнення мінімальних значень, коли тиск щетинок на ротор досягне мінімуму. Резюмуючи, можна сказати, що ущільнення ефективні тільки при низькому тиску. Найбільш шкідливим для тривалості роботи контакту ротор/статор є сповільнення. Мала швидкість обертання має багато переваг при малому коефіцієнті зносу. Фіг. 5 зображує варіант здійснення, в якому заднє кільце 8 містить зовнішню підпорну арку 30. Функцією цієї арки є зменшення нахилу щетинок 4 і зменшення зсуву щетинок. Крім того, на фіг. 5 видно, що щетинки мають різну довжину. Це виходить, зокрема, з того, що щетинки показані на фіг. 5 точками. Фіг. 6 зображує спосіб кріплення кожуха щіткового ущільнення до супорта 32. Супорт містить посадочне місце, в яке встановлений кожух. Стопорне кільце 36 закріплює нерухомо кожух в посадочному місці 34. Відповідно до характеристики винаходу, стопорне кільце 36 розміщене так, щоб злегка сплюснути кожух, щоб зробити його овальним і притиснути його зовнішню частину 38 до поверхні 34 посадочного місця для забезпечення статичної герметичності між кожухом і посадочним місцем. На фіг. 7 зображений варіант здійснення, в якому вихідне кільце 8 виконане укороченим. Посадочне місце 32 містить округлення 38, в якому розміщені щетинки 4. Функція округлення 38 та ж, що і у зовнішньої підпорної арки 30, поданої на фіг. 5. Воно призначене для полегшення нахилу вільних кінців щетинок. 7 96588 8 9 96588 10 11 Комп’ютерна верстка А. Крулевський 96588 Підписне 12 Тираж 23 прим. Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601