Уплотнение

 

Изобретение относится к уплотнению вращающихся валов газо- и паротурбинных двигателей, установок, компрессоров и нагнетателей, а также поршневых компрессоров и двигателей внутреннего сгорания. Повышение работоспособности уплотнения достигается выполнением конструкций двух герметизирующих элементов, обеспечивающих уравновешивание сил давления рабочей среды. Один уплотняющий элемент-разделитель сопряжен с частью неконтактной поверхности другого уплотняющего элемента. Образован объем около полости высокого давления. Объем дна расточки корпуса с другой стороны сообщен дренажным каналом с полостью низкого давления. 20 з.п. ф-лы, 19 ил.

Изобретение относится к области уплотнений вращающихся валов, газо- и паротурбинных двигателей и установок, нагнетателей и компрессоров, а также поршневых двигателей внутреннего сгорания и компрессоров.

Известно поршневое уплотнение (патент РФ 2022146, МКИ 5 F 02 F 5/00, 1994 г. - аналог), в котором в проточке корпуса (поршня) со стороны полости высокого давления в углубленную проточку установлено тонкое, плотно прилегающее к основному уплотнительное кольцо, по мнению автора указанного изобретения, предотвращающее прорыв газов в донный объем основного уплотнительного кольца и исключающее насосное действие уплотнений. Недостатком указанной конструкции является низкая работоспособность, обусловленная сохранением традиционного нагружения основного уплотнительного кольца. Декларированное предотвращение прорывов газов в донный объем расточки может вызвать только "раскрытие" основного уплотнительного кольца, т.е. исключение из работы.

Известно также уплотнение высокоскоростных валов паровых и газовых турбин, содержащее разделяющие полости высокого и низкого давления, и установленные в расточку корпуса уплотнительные элементы, а именно - углеграфитовые сегменты. (Скубачевский С.Г. Авиационные газотурбинные двигатели. - М.: Машиностроение, 1974 г., с.466, рис.11.25 - прототип).

Недостатком указанной конструкции является также низкая работоспособность, вызванная значительными силами трения на контактных уплотняющих поверхностях.

Задачей, решаемой изобретением, является повышение работоспособности подвижных уплотнений.

Технический результат достигается в уплотнении, содержащем разделяющие полости высокого и низкого давления, установленные в расточку корпуса, по крайней мере, два уплотнительных элемента, один из которых - разделитель - сопряжен с частью неконтактной поверхности другого уплотняющего элемента - уплотнителя - и образует ближайший к полости высокого давления объем, причем объем дна расточки корпуса с другой стороны сообщен дренажным каналом с полостью низкого давления. Дренажный канал выполнен в корпусе или на опорной поверхности уплотнителя или в его стыке. Разделитель выполнен в виде Y-образного гибкого профиля, впадина которого обращена в сторону полости высокого давления. В расточке корпуса со стороны полости высокого давления выполнено углубление, в котором установлен разделитель. Разделитель выполнен в виде U-образного гибкого профиля, обращенного впадиной к полости высокого давления. Уплотнитель выполнен упругим или снабжен упругим эспандером. Профиль уплотнителя выполнен L-образным, во впадине которого размещен разделитель. В расточке корпуса со стороны полости низкого давления выполнено углубление, в котором размещена удлиненная полка уплотнителя. В уплотнителе выполнены дроссельные каналы, сообщенные с полостью высокого давления. Дроссельные каналы выполнены на контактной поверхности уплотнителя, сопряженной с подвижной поверхностью. Стенки дроссельных каналов выполнены с чередующимися гребнями и впадинами. В уплотнителе выполнены распределительные желоба, соединенные с дроссельными каналами. Распределительные желоба выполнены на опорном торце уплотнителя. Распределительные желоба выполнены на контактной поверхности уплотнителя, сопряженной с подвижной поверхностью. На контактной поверхности уплотнителя, сопряженной с подвижной поверхностью, выполнен дренажный желоб, соединенный с полостью низкого давления. В зазоре между стенкой расточки корпуса и уплотнителем со стороны полости высокого давления установлен обратный клапан. Обратный клапан выполнен лепестковым в виде U-образного гибкого профиля, образующим с разделителем внутреннюю замкнутую полость, сообщенную дроссельными каналами с распределительными желобами, выполненными на опорной и контактной поверхности уплотнителя, сопряженной с подвижной поверхностью. Разделитель выполнен в виде С-образного гибкого профиля, полки которого со стороны полости высокого давления сопряжены с дном и стенкой расточки корпуса и образуют внутреннюю замкнутую высокого давления полость, сообщенную отверстиями с дроссельными каналами и распределительными желобами на опорной и контактной поверхностях уплотнителя, сопряженной с подвижной поверхностью. Уплотнитель выполнен из частей, разделитель выполнен Г-образного профиля, полка которого перекрывает зазоры в стыках частей уплотнителя и коммуникационные каналы, выполненные вокруг них. Уплотнитель снабжен удлиняющим козырьком в сторону полости высокого давления, отделенным коммуникационным желобом и каналами. На контактной поверхности уплотнителя, сопряженной с подвижной поверхностью, выполнены элементы динамической интенсификации смазки.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется фиг. 1-19.

Фиг.1 - разрез уплотнения с гибким профилем разделителя.

Фиг.2 - вид А-А фиг.1.

Фиг. 3 - разрез уплотнения с разделителем U-образной формы в углублении расточки со стороны полости высокого давления.

Фиг.4 - разрез уплотнения с упругим эспандером.

Фиг.5 - разрез уплотнения с уплотнителем L-образной формы.

Фиг.6 - разрез уплотнения с углублением донной части расточки со стороны полости низкого давления и удлиненной полкой в нем.

Фиг. 7 - разрез уплотнения с дроссельными, дренажными каналами и распределительными желобами.

Фиг.8 - вид Б-Б на контактную поверхность уплотнения.

Фиг.9 - разрез уплотнения по оси дроссельного канала.

Фиг. 10 - вид С-С на контактную поверхность уплотнителя с дроссельными, дренажными каналами и распределительными желобами.

Фиг.11 - вид сечения D-D дроссельного канала уплотнителя.

Фиг. 12 - вид Е-Е дроссельного канала на контактной поверхности уплотнителя.

Фиг.13 - разрез уплотнения с замкнутой полостью и обратным клапаном.

Фиг. 14 - разрез уплотнения с гибким лепестковым клапаном U-образной формы.

Фиг.15 - разрез уплотнения с разделителем С-образного гибкого профиля.

Фиг.16 - разрез уплотнения с уплотнителем, выполненным из частей.

Фиг.17 - вид F-F на узел стыка частей уплотнителя.

Фиг.18 - разрез уплотнения с козырьком уплотнителя.

Фиг.19 - вид Н-Н на контактную поверхность козырька уплотнителя с элементами динамической интенсификации смазки.

Уплотнение 1 (фиг.1, 2) разделяет полость высокого давления 2 и полость низкого давления 3, состоит из подвижной поверхности 4 и установленных в расточку 5 корпуса 6 уплотнителя 7 и разделителя 8, сопряженного с частью 9 неконтактной поверхности уплотнителя 7, а также частью 10 дна расточки корпуса cо стороны полости высокого давления, образуя ближайший к полости 2 высокого давления объем 13, при этом объем 11 расточки 5 дна корпуса 6 с противоположной сторона сообщен дренажными каналами 12 с полостью 3 низкого давления. Уплотнение 1 (фиг.1, 2) может быть выполнено в виде кольцевых уплотнений вала или штока с осью О₁О₁ либо кольцевого уплотнения цилиндра с осью О₂О₂, а также пластинчатого уплотнения плоской плиты с перемещениями в направлениях S.

Разделитель 8 выполнен в виде Y-образного гибкого профиля, впадина которого с объемом 13 обращена в сторону полости 2 высокого давления; дренажные каналы 12 выполнены в корпусе 6, на опорной поверхности 14 уплотнителя или в его стыке 15. В расточке 5 корпуса 6 уплотнения 1 (фиг.3) со стороны полости 2 высокого давления выполнено углубление 16, в котором установлен разделитель 17, выполненный в виде U-образного гибкого профиля, обращенного впадиной к полости высокого давления 2. В уплотнении (фиг.4) уплотнитель 7 и разделитель 8 выполнены упругими или снабжены упругими эспандерами 18, установленными, например, между дном углубления 16 и разделителем 8 или между дном расточки 5 и уплотнителем 7 на участке 19. В уплотнении 1 (фиг.5) уплотнитель 7 выполнен L-образной формы 20, во впадину 21 которого установлен контактирующий на участке 10 с дном расточки 5 корпуса 6 разделитель 8, например, с эспандером 18. В уплотнении 1 (фиг.6) в расточке 5 корпуса 6 со стороны полости низкого давления 3 выполнено углубление 22, в котором размещена удлиненная полка 23 уплотнителя 20. В уплотнении 1 (фиг.7, 8) на опорной поверхности 14 уплотнителя 7 выполнены распределительные желоба 25, а на контактной поверхности 26, со стороны полости низкого давления 3, выполнены распределительные желоба 25, сообщенные дросселирующими каналами 24 с полостью высокого давления 2, например, впадины 21. Между кромкой контактной поверхности и распределительным желобом 25 выполнен дренажный желоб 27, сообщенный с полостью низкого давления 3. В уплотнении 1 (фиг.8, 9, 10) дроссельный канал 24 выполнен непосредственно на контактной поверхности 26 уплотнителя 7, а на его стенках выполнены гребни 28, чередующиеся со впадинами (фиг. 11, 12), что обеспечивает технологичность и повышает динамическую характеристику дросселя. В уплотнении 1 (фиг.13) в зазоре между стенкой расточки 5 корпуса 6 уплотнения и уплотнителем 7 со стороны полости высокого давления 2 установлен обратный клапан 29, например, размещенный в канавке и выполненный в виде плоского элемента с каналами 37 перепуска высокого давления из полости 2 во внутреннюю замкнутую полость 30. В уплотнении (фиг. 14) обратный клапан 31 выполнен лепестковым в виде U-образного гибкого профиля, установленного в зазоре между стенкой расточки корпуса и уплотнителем со стороны полости высокого давления, и образующим вместе с разделителем внутреннюю замкнутую полость, сообщенную дросселирующими каналами с распределительными желобами 25. В уплотнении (фиг.15) разделитель 32 выполнен в виде С-образного гибкого профиля, полки которого со стороны полости высокого давления сопряжены с дном и стенкой расточки 5 корпуса 6, выполняют функции разделителя, обратного клапана и образуют внутреннюю замкнутую полость постоянного высокого давления 30, сообщенную отверстиями 33 с дроссельными каналами 24 и распределительными желобами 25 опорной 14 и контактной 26 поверхностей уплотнителя 7. В уплотнении (фиг.16, 17) уплотнитель 7 выполнен из частей 34, а разделитель 8 выполнен Г-образного профиля, полка 35 которого перекрывает зазоры 36 в стыках частей 34 уплотнителя и коммуникационные каналы 37 вокруг них. В уплотнении (фиг.18, 19) каждая часть 34 уплотнителя 7 снабжена козырьком 38 со стороны полости высокого давления 2, отделенным коммуникационными каналами 39, при этом на контактной поверхности 26 уплотнителя, сопряженной с подвижной поверхностью 4, выполнены элементы динамической интенсификации смазки 40, например, винтовые канавки, площадки Реллея и т.д.

В рабочем состоянии уплотнение 1 предотвращает переток рабочей среды из полости высокого давления 2 в полость низкого давления 3 через сопряжение подвижной поверхности 4, например, вращающегося вала вокруг оси О₁О₁, вращающегося цилиндра вокруг оси О₂О₂ или перемещающихся в направлении S штоков, поршней или цилиндров вдоль осей О₁О₁ или О₂О₂ с установленными в расточку 5 корпуса 6 уплотнения уплотнителя 7 с разделителем 8. При этом давление рабочей среды полости высокого давления 2, воздействуя на гибкие профили 8 (фиг.1), 17 (фиг.3), 32 (фиг.15), участки 9, 10 (фиг.4, 5, 7, 13, 14) разделителя 8, препятствуют распространению давления на остальную часть донной поверхности уплотнителя 7, при этом утечки из донного объема 11 отводятся через дренажные каналы 12 в полость низкого давления 3. Действие высокого давления полости 2 на участке 9 уплотнителя 7 в направлении его контактной поверхности сбалансировано действием на всю площадь контактной поверхности 26 давления, дросселирующегося в процессе перетока рабочей среды в полость низкого давления 3 через зазор с подвижной поверхностью 4, что снижает, таким образом, нагрузку на контактные подвижные поверхности.

Для узлов (фиг. 4) со значительными радиальными колебаниями подвижной поверхности 4 уплотнений, а также для пластинчатых или выполненных из неупругих материалов, например углеграфитов-уплотнителей 7, разделитель 8 выполняется упругим или снабжается упругим эспандером 18, обеспечивающим гарантированный контакт уплотнителя 7 с подвижной поверхностью. Выполнение уплотнителя 7 (фиг.5) с профилем L-образной формы 20 поперечного сечения и размещение разделителя 8 в его впадине 21 обеспечивает размещение уплотнения в прямоугольной расточке корпуса, сохраняя высоким давление опорной поверхности 14 уплотнителя на стенку расточки 5 корпуса 6, размещенных в полости низкого давления 3. Выполнение уплотнителя (фиг.6) L-образной формы поперечного сечения с удлиненной полкой 23, размещенной в углублении 22 расточки 5 корпуса 6 со стороны полости низкого давления, обеспечивает увеличение опорной площади 14 уплотнителя по отношению к площади поверхности, нагруженной высоким давлением полости 2. В уплотнении (фиг.7) рабочая среда из полости высокого давления, например впадины 21, поступая через дросселирующие каналы 24 и распределительные желоба 25 в зазоры соответственно между опорной поверхностью 14 уплотнителя 7 и стенкой расточки 5 корпуса 6, а также между контактной поверхностью 26 уплотнителя 7 и подвижной поверхностью 4, уравновешивает действие высокого давления на уплотнитель 7 в полостях впадины 21 и расточки 5 корпуса 6 уплотнения, при этом дренажный желоб 27 на контактной поверхности 26 уплотнителя 7 предотвращает распространение высокого давления из полости 2 в опорный зазор. В уплотнении (фиг.8) рабочая среда перетекает через дросселирующую щель, образованную каналом 24, выполненным непосредственно на контактной поверхности уплотнителя 7 и подвижной поверхности 4, при этом (фиг.9, 10, 11, 12) дросселирование происходит более интенсивно при протоке через ряд гребней 28 и впадин, выполненных на стенке дроссельного канала. В уплотнении (фиг.13), например, поршневого компрессора, насоса и т.п., там где циклически изменяется давление в полости 2, рабочая среда высокого давления поступает в замкнутую полость 30 через обратный клапан 29 и его каналы перепуска, что обеспечивает поступление ее на опорную поверхность 14 и контактную поверхность 26 с постоянно высоким давлением даже в период падения давления в цикле до следующего момента возрастания до наибольшего. В уплотнении (фиг.14) лепестковый клапан U-образной формы, обладая предварительным натягом, повышает герметичность замкнутой полости 29 и технологичность его изготовления. В уплотнении (фиг.15) рабочая среда высокого давления поступает в замкнутую полость 30 через зазор отгибающейся под действием давления губки гибкого С-образного профиля разделителя 32, из которой через отверстие 33 попадает в дроссельные каналы 24 и распределительные желоба 25. В уплотнении (фиг.16, 17) рабочая среда, воздействуя на торец разделителя 8, поступает также под полку 35, перекрывающую Z-образные стыки и зазоры 36 частей 34 уплотнителя 7, до узких уплотнительных поясков, окруженных коммуникационными каналами 37, предотвращающими распространение высокого давления на всю площадь полки 35 разделителя. В быстроходных уплотнениях, например, вала газотурбинного двигателя (фиг.16, 18) удлиненная часть со стороны полости высокого давления 2 образует дополнительную опорную поверхность восприятия радиальных усилий со стороны уплотняемого давления, которое может быть увеличено выполнением на контактной поверхности козырьков 38, например, выполнением винтовых канавок или площадок Реллея 40.

Уплотнение предназначено для герметизации вращающихся валов газо- и паротурбинных энергоустановок, поршневых двигателей и компрессоров, а также роторных машин и других устройств.

Формула изобретения

1. Уплотнение, содержащее разделяющие полости высокого и низкого давления и установленные в расточку корпуса, по меньшей мере, два уплотняющих элемента, отличающееся тем, что один из уплотняющих элементов - разделитель сопряжен с частью неконтактной поверхности другого уплотняющего элемента-уплотнителя с образованием ближайшего к полости высокого давления объема, причем объем дна расточки корпуса с другой стороны сообщен дренажным каналом с полостью низкого давления.

2. Уплотнение по п. 1, отличающееся тем, что дренажный канал выполнен в корпусе или на опорной поверхности уплотнителя или в его разрезе.

3. Уплотнение по любому из пп. 1 и 2, отличающееся тем, что разделитель выполнен в виде U-образного гибкого профиля, впадина которого обращена в сторону полости высокого давления.

4. Уплотнение по любому из пп. 1 и 2, отличающееся тем, что часть расточки со стороны полости высокого давления углублена в корпус, в которую установлен разделитель.

5. Уплотнение по п. 4, отличающееся тем, что разделитель выполнен в виде U-образного гибкого профиля, обращенного впадиной к полости высокого давления.

6. Уплотнение по любому из пп. 1 и 4, отличающееся тем, что уплотнитель выполнен упругим или снабжен упругим эспандером.

7. Уплотнение по любому из пп. 1 и 2, отличающееся тем, что профиль уплотнителя выполнен L-образным, во впадине которого размещен разделитель.

8. Уплотнение по п. 7, отличающееся тем, что в расточке корпуса со стороны полости низкого давления выполнено углубление, в котором размещена удлиненная полка уплотнителя.

9. Уплотнение по любому из пп. 1-8, отличающееся тем, что в уплотнителе выполнены дроссельные каналы, сообщенные с полостью высокого давления.

10. Уплотнение по п. 9, отличающееся тем, что дроссельные каналы выполнены на контактной поверхности уплотнителя, сопряженной с подвижной поверхностью.

11. Уплотнение по п. 10, отличающееся тем, что стенки дроссельных каналов выполнены с чередующимися гребнями и впадинами.

12. Уплотнение по любому из пп. 9-11, отличающееся тем, что в уплотнителе выполнены распределительные желоба, соединенные с дроссельными каналами.

13. Уплотнение по п. 12, отличающееся тем, что распределительные желоба выполнены на опорном торце уплотнителя.

14. Уплотнение по п. 12, отличающееся тем, что распределительные желоба выполнены на контактной поверхности уплотнителя, сопряженной с подвижной поверхностью.

15. Уплотнение по любому из пп. 9-14, отличающееся тем, что на контактной поверхности уплотнителя, сопряженной с подвижной поверхностью, выполнен дренажный желоб, соединенный с полостью низкого давления.

16. Уплотнение по любому из пп. 1-15, отличающееся тем, что в зазоре между стенкой расточки корпуса и уплотнителем со стороны полости высокого давления установлен обратный клапан.

17. Уплотнение по п. 16, отличающееся тем, что клапан выполнен лепестковым, в виде U-образного гибкого профиля, образующим с разделителем внутреннюю замкнутую полость, сообщенную дроссельными каналами с распределительными желобами.

18. Уплотнение по любому из пп. 7-15, отличающееся тем, что разделитель выполнен в виде С-образного гибкого профиля, полки которого со стороны полости высокого давления сопряжены с дном и стенкой расточки корпуса и образуют внутреннюю замкнутую высокого давления полость, сообщенную отверстиями с дроссельными каналами и распределительными желобами.

19. Уплотнение по любому из пп. 1,4 и 6-17, отличающееся тем, что уплотнитель выполнен из частей, а разделитель выполнен Г-образного профиля, полка которого перекрывает зазоры в стыках частей уплотнителя и коммуникационные каналы, выполненные вокруг них.

20. Уплотнение по п. 19, отличающееся тем, что уплотнитель снабжен удлиняющим козырьком в сторону полости высокого давления, отделенным коммуникационным желобом и каналами.

21. Уплотнение по любому из пп. 1-20, отличающееся тем, что на контактной поверхности уплотнителя, сопряженной с подвижной поверхностью, выполнены элементы динамической интенсификации смазки.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10, Рисунок 11, Рисунок 12, Рисунок 13, Рисунок 14, Рисунок 15, Рисунок 16, Рисунок 17, Рисунок 18, Рисунок 19