Лабиринтное уплотнение вала. Лабиринтные уплотнения Расчет утечек через лабиринтное уплотнение

Контроль зазоров имеет большое значение для проектировщиков турбомашин и необходим для удовлетворения сегодняшних высоких требований по мощности, эффективности и срокам эксплуатации. Чрезмерные зазоры приводят к потерям в эффективности цикла, нестабильности потока и поступлению горячего газа в полости дисков. Недостаточные зазоры ограничивают потоки охлаждающей жидкости и вызывают истирание контактных поверхностей, перегрев расположенных ниже компонентов и повреждение поверхностей, что ограничивает срок службы компонентов. Специалисты уделяют особое внимание контролю зазоров, поскольку часто это самый экономичный метод повышения производительности системы.

Ключевые места уплотнения компрессора и турбины в промышленном двигателе показаны на рисунке 1.

Истираемые уплотнения компрессора
Истираемые уплотнения турбины
Щеточное или истираемое уплотнение между ступенями
Лабиринтное уплотнения подшипников
Щеточное манжетное уплотнение высокого давления

Торцевое уплотнение

Для минимизации утечек между роторами и корпусами применяются радиальные, торцевые и радиально-торцевые уплотнения . Уплотнения подвижных соединений, применяемые в газотурбинном оборудовании можно подразделить на бесконтактные (щелевые) и контактные. Основные из них представлены в таблице 1.

Таблица 1 – Уплотнения подвижных соединений

Класс	Тип уплотнения	Схема уплотнения (зазор в мм)	Ограничения			Эффективный зазор, мкм
Класс	Тип уплотнения	Схема уплотнения (зазор в мм)	скорость скольжения	температура	давление	Эффективный зазор, мкм
Бесконтактные	Лабиринтное		нет огран.	1200 и более	нет огран.	50... 200
	Щеточное		400	1000	1,2 на один ряд щеток	40...165
	Графитовое бесконтактное		180	700	25	3...12
Контактные	Графитовое контактное		100	700	P*V=50 МПа·м/с	10...20
	Поршневые кольца, металлические набивки сальников		80... 100	700	P*V=50 МПа·м/с	10...20
		3	Притертые пары 20...500 сальники 363...343	500	0
		1	310	600 (несколько манжет)	0

Уплотнение торца лопатки

Щеточное уплотнение является первой простой, практичной альтернативой лабиринту, которое обеспечивает значительное улучшение производительности. Преимущества щеточных уплотнений по сравнению с лабиринтными включают:

Снижение утечек
Обеспечение отклонения вала из-за операций остановки/запуска и других переходных условий
Малое занимаемое пространство в осевом направлении
Более стабильные характеристики утечки в течение длительных периодов эксплуатации

Сухие газодинамические уплотнения

Уплотнения «газ-газ» («воздух-воздух»), работающие по принципу подшипника скольжения на газовой смазке, называют, скользящими сухими уплотнениями.

В опорах компрессоров промышленных газотурбинных двигателей наибольшее распространение получили торцевые сухие газодинамические уплотнения (СГДУ) производства компании John Crane.

В конструкции СГДУ Джон Крейн используется запатентованная компанией специальная форма спиральной канавки. Благодаря этой особенности сухие газодинамические уплотнения Джон Крейн полностью бесконтактны. Это делает их безопасным, высоконадежным, и долговечным решением для герметизации компрессоров, турбин, турбодетандеров.

Седло из карбида вольфрама;
Кольцо из графита;
Пружины;
Вторичные уплотнения;
Металлические детали

Рисунок 7 – Конструкция сухого газодинамического уплотнения Джон Крейн

Рисунок 8 – Сухое газодинамическое уплотнение Джон Крейн Искра

СГДУ John Crane

Применяются в турбомашинах с 70-х годов прошлого столетия. Уже поставлено более 20 тысяч СГДУ Джон Крейн, суммарная наработка которых составляет свыше 200 млн. часов.

Особенности:

Во время динамической работы зазор между седлом и торцом составляет около 5 мк, что сводит к минимуму износ.
Конструкция седла в обойме предупреждает вторичное повреждение в случае выхода из строя седла.

Параметры эксплуатации:

Температура: от -140°С до 315°С.
Давление: до 450 бар изб.
Скорость: до 200 м/с.
Вал: до 330 мм.

СГДУ John Crane AURA TM

Новое поколение газовых уплотнений Джон Крейн Искра с увеличенным сроком эксплуатации и интервалами в техобслуживании, с низкими затратами на техобслуживание и потребностью в запасных частях.

Особенности:

Уплотнение балансировочного диаметра – это запатентованная конструкция, включающая в себя держатель торца и упорную втулку.
Вторичный полимерный уплотнитель за седлом и торцом препятствует утечке уплотнительного газа и повышает диапазон рабочих режимов.

Параметры эксплуатации:

Температура: от -60°С до 220°С.
Статическое давление: до 220 бар.
Скорость: до 140 м/с.
Размер уплотнения: 100-276 мм.

Статическое уплотнение в турбооборудовании

Уплотнения в местах с неподвижным или относительно медленным перемещением в турбомашине включают поверхность контакта или соединения между неподвижными компонентами (камеры сгорания , сопла , кожухи и т. д.) по всему каналу внутреннего охлаждения для минимизации или контроля потоков утечки между компонентами турбины. Как правило, соприкасающиеся элементы должны выдерживать относительное вибрационное движение с минимальным износом. Кроме того, они должны соответствовать параметрам теплового расширения и несоосности. Эффективное уплотнение в зонах статического контакта не только повышает эффективность и выходную мощность турбины, но также улучшает профиль температуры газового тракта. Для решения этих проблем были разработаны различные типы уплотнений. Рассмотрим основные из них.

Металлические уплотнения

Металлические уплотнения используются в условиях с более высокой температурой и давлением, когда резиновые и полимерные уплотнения не подходят. В турбомашинах применятся несколько конфигураций: c поперечным сечением O, C и E. На рисунке 9 показан пример использования металлических уплотнений в промышленной газовой турбине.

E-образные уплотнения компрессора
Уплотнения камеры сгорания
Уплотнения топливной системы
E-образные уплотнения турбины
Разделенные уплотнения

Рисунок 9 – Металлические уплотнения газовой турбины Alstom GT26 300 МВт

Они представляют собой объединения тонких листовых металлов (прокладок) и слоев плотно сплетенной металлической ткани. В то время как прокладки предотвращают утечку и обеспечивают гибкость конструкции, внешние слои ткани добавляют объем (играют роль чехла, защищающего от износа тонкие прокладки) и толщину, без существенной жесткости. Типичная структура показана на рисунке 3.

Обертывающая металлическая ткань
Сварные точки
Две прокладки

Рисунок 10 – Структура уплотнения из металлической ткани

Плетенные и канатные уплотнители

Плетенные и канатные уплотнители могут использоваться в различных местах в турбомашинах. Активно исследуются передовые материалы, в том числе цельная/композитная керамика, интерметаллические сплавы (например, алюминид никеля) и углерод-углеродные композиционные материалы для удовлетворения требований по температуре, долговечности и весу.

Рисунок 11 – Плетенные и канатные уплотнители для компрессоров и турбин

Традиционно, в машинах и аппаратах широко используются бесконтактные устройства - лабиринтные уплотнения, помещенные между перемещающимися друг относительно друга двумя или более частями. Они состоят из ряда узких щелей, чередующихся с расширенными камерами. Такое уплотнение наиболее часто используется для герметизации пространства между стационарным корпусом и вращающимся валом.

Вал рабочего органа аппарата или машины с приводом, расположенным вне рабочего объема, снабжают лабиринтным уплотнением, которое надежно работают при достаточно высоких температурах. Оно предотвращают утечку жидкости (смазки) или рабочей среды (пар или газ), обеспечивает вращение на высоких скоростях, при этом исключается загрязнение окружающей среды за счет утечки рабочей среды. Для снижения подсоса в аппаратах (грануляторы, сушилки, печи, кристаллизаторы), работающих под небольшим разряжением, также используют лабиринтные уплотнения. В результате достигается изолирование рабочего пространства от внешней среды, предотвращается подсос атмосферного воздуха.

Лабиринтные уплотнения способны работать при высоких температурах и любых скоростях. В техническом плане они очень сложны, как в изготовлении, так и монтаже. В качестве уплотнения вала эти устройства применяются в газовых турбинах (в реактивных двигателях), паровых турбинах на электростанциях или на крупнотоннажных химических производствах, где тепло, выделяемое в результате химических реакций, используется для выработки пара высокого давления, энергия которого приводит в действие турбоагрегаты. Особый случай - использование уплотнений данного типа в шпиндельных двигателях, которые при работе достигают нескольких сот тысяч оборотов в минуту. Решающее преимущество - экстремально низкое трение, в результате которого возможно повышенное число оборотов.

Различают лабиринтные уплотнения ступенчатые и прямоточные. Уплотняющее действие основано на создании минимально возможного зазора сложной конфигурации между неподвижными и вращающимися деталями. Преимуществом лабиринтных уплотнений перед другими типами являются:

Неизнашиваемость деталей;

Внутреннее трение смазки достаточно мало;

Нет ограничения для окружных скоростей вала;

Простота эксплуатации.

Материал уплотнений выбирают в зависимости от назначения машин и аппаратов и условий их эксплуатации, главными из которых являются агрессивность среды, температура, давление, вязкостно-текучие характеристики рабочей среды и конструктивные особенности самого устройства. Лабиринтные уплотнения изготавливают из стали и алюминия с применением специальной и очень сложной технологии (включая процессы литья под давлением и другие), благодаря которой, достигается абсолютная конструкционная точность и гладкость уплотняющих поверхностей. В результате обеспечивается максимальная производительность (скорость вращения).

Некоторые виды лабиринтных уплотнений изготавливаются из высококачественных и высокопрочных пластмасс. Получаются устройства, отличающиеся высокой химической стойкостью к множеству веществ, бактерий и грибков. Это их качество имеет особую ценность для пищевой промышленности и производств потребительских товаров. Также они отличаются высокой коррозионной стойкостью к воздействию воды.

Лабиринтное уплотнение вала относится к бесконтактным уплотнительным устройствам лабиринтного типа для герметизации валов машин. В лабиринтном уплотнении зоны сужения образованы закрепленными на валу кольцевыми втулками. Зоны расширения образованы установленными на валу между втулками тонкостенными гофрированными шайбами, локально контактирующими своими смежными гофрами с торцами противостоящих втулок. Изобретение упрощает конструкцию устройства. 2 ил.

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к бесконтактным уплотнительным устройствам лабиринтного типа для герметизации валов машин. Из анализа уровня техники известны бесконтактные уплотнения с кольцевыми канавками на наружной поверхности вала (см. кн.: Васильцов Э.А. "Бесконтактные уплотнения", Л., Машиностроение, 1974, с. 14, табл. 1). Наиболее близким аналогом (прототипом) является уплотнение (источник тот же, с. 47, рис. 36), содержащее корпус и размещенный с радиальным зазором в цилиндрическом отверстии корпуса вал, на наружной поверхности которого выполнены кольцевые проточки прямоугольного профиля, образующие с корпусом гидравлический тракт с чередующимися зонами сужения и расширения потока. Недостаток устройства - низкая эффективность герметизации в ряде случаев применения: при окружной скорости менее 10 м/с, давлении более 0,5 мПа, при работе на маловязких жидкостях типа керосина. Технической задачей, на решение которой направлено изобретение, является усовершенствование конструкции устройства. Технический результат от использования изобретения заключается в повышении герметизации устройства, в расширении возможностей его применения. Средство достижения указанного технического результата состоит в том, что в известном устройстве, включающем корпус и размещенный в цилиндрическом отверстии корпуса вал с выполненными на его наружной поверхности кольцевыми цилиндрическими проточками, образующими с корпусом гидравлический тракт с чередующимися зонами сужения и расширения потока, зоны сужения образованы закрепленными на валу кольцевыми втулками, а зоны расширения установленными на валу между втулками тонкостенными гофрированными шайбами, локально контактирующими своими гофрами с противостоящими торцами смежных втулок. Доказательство достижения технического результата будет рассмотрено ниже. Предлагаемое устройство изображено на фиг. 1 (продольный разрез) и фиг. 2 (вид по А на фиг. 1, развертка вала). Устройство состоит из корпуса 1, в цилиндрическом отверстии 2 которого с радиальным зазором 3 установлен вал 4. На валу 4 закреплены с упором в его бурт 5 и крепежный элемент 6 (например, гайку на валу 4) кольцевые втулки 7, образующие с корпусом 1 зоны сужения 8, и чередующиеся с ними шайбы 9, размещенные между втулками 7 в зонах расширения 10. Шайбы 9 выполнены тонкостенными с гофрированными вдоль окружности торцами. Шайбы 9, одна или несколько, могут иметь различную форму (фиг. 2, варианты исполнения гофрированных шайб 9) - волнообразную, зигзагообразную, пилообразную и пр. Шайбы 9 своими выступами 11 контактируют с противостоящими торцами смежных втулок 7. При этом радиальные размеры втулок 7 и шайбы 9 одинаковы (фиг. 1). Между крепежным элементом 6 и валом 4 установлена регулировочная прокладка 12, обеспечивающая локальное контактирование между собой втулок 7 и шайб 9 с необходимым из конструктивных соображений осевым поджатием после сборки устройства. Устройство работает следующим образом. Поток рабочей среды, попадая в зоны расширения 10, изменяет направление движения с образованием вихрей, турбулизируется. Наличие в зонах расширения гофрированных шайб 9 приводит дополнительно к механическому воздействию на шток, поскольку шайбы 9 перекрывают тракт вдоль проточки выступами 11 (гофрами) и выталкивают рабочую среду в зазор 3, аналогично действию центробежного лопаточного аппарата. Это приводит к дополнительному возмущению потока, турбулизации, повышает гидравлическое сопротивление тракта, способствует уменьшению утечки через уплотнение. Оптимальная конфигурация гофрированных шайб 9 подбирается экспериментально в зависимости от свойств рабочей среды, размеров устройства, оборотов вала, параметров потока и технических требований к уплотнению. Устройство не представляет технических трудностей для изготовления известными приемами металлообработки (мехобработка, штамповка и др.).

Формула изобретения

Лабиринтное уплотнение вала, включающее корпус и размещенный в цилиндрическом отверстии корпуса вал с выполненными на его наружной поверхности кольцевыми цилиндрическими проточками, образующими с корпусом гидравлический тракт с чередующимися зонами сужения и расширения потока, отличающееся тем, что зоны сужения образованы закрепленными на валу кольцевыми втулками, а зоны расширения - установленными на валу между втулками тонкостенными гофрированными шайбами, локально контактирующими своими гофрами с противостоящими торцами смежных втулок.

Стационарные корпуса SNL серий 30, 31 и 32 выпускаются с различными стандартными уплотнительными решениями.

В таблице 1 представлены характеристики и информация о применимости каждого уплотнительного решения. Подробная информация представлена ниже. Эта информация должна использоваться только в качестве рекомендаций, которые не могут заменить испытания уплотнений в реальных условиях эксплуатации.

Лабиринтные уплотнения (TS ..)

Для областей применения с высокими частотами вращения или экстремальными температурами SKF рекомендует использовать лабиринтные уплотнения (рис. 1). Установленные на вал лабиринтные кольца образуют многоступенчатое лабиринтное уплотнение с канавками под уплотнение в корпусе. Полый шнур из силиконового эластомера, поставляемый вместе с кольцом, удерживает кольцо на валу.

Таконитовые уплотнения с осевым лабиринтом (TK ..)

Для подшипниковых узлов, которые работают в сильнозагрязнённых средах, например, в горнодобывающем оборудовании, рекомендуется использовать заполняемые пластичной смазкой таконитовые уплотнения (рис. 2). Пластичная смазка повышает эффективность уплотнений и увеличивает срок их срок службы.

На вращающемся кольце лабиринтного уплотнения устанавливается V-образное уплотнение, которое контактирует с неподвижным кольцом лабиринтного уплотнения. Они могут повторно смазываться через пресс-маслёнку, установленную в неподвижном кольце лабиринтного уплотнения.

Осевое смещение вала относительно корпуса ограничено величиной ±2 мм для валов диаметром до 200 мм и величиной ±4 мм для валов большего диаметра.

Уплотнения для смазывания маслом

Масляные уплотнения состоят из неподвижной части, которая устанавливается в корпусе, и лабиринтного кольца, которое вращается вместе с валом. Лабиринтное кольцо удерживается на валу с помощью двух полых шнуров из силиконового эластомера, которые также предотвращают утечку масла (