RU193118U1

RU193118U1 - TURBO MACHINE

Info

Publication number: RU193118U1
Application number: RU2019117122U
Authority: RU
Inventors: Юрий Павлович Кузнецов; Александр Борисович Чуваков; Роман Александрович Погодин
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "Пневмомашины"
Priority date: 2019-06-03
Filing date: 2019-06-03
Publication date: 2019-10-15

Abstract

Полезная модель относится к области турбомашин, применяемых в качестве привода малогабаритных агрегатов, в частности пневматических шлифовальных инструментов.В турбомашине, содержащей корпус, вал с приводом вращения, диафрагму, установленную в пределах корпуса с равномерным радиальным зазором по отношению к последнему, и уплотнительную обойму, установленную с охватом вала по периферии и прикрепленную к диафрагме с ее внутренней стороны, уплотнительная обойма установлена с прилеганием к валу, а в радиальном зазоре между диафрагмой и корпусом с охватом диафрагмы по периферии установлено кольцо с поперечным сечением, превышающим по своей радиальной протяженности ширину указанного зазора, выполненное из непроницаемого для газообразной среды эластичного материала.В турбомашине привод вращения вала может быть выполнен в виде турбины с двумя ступенями давления, которые расположены с противоположных сторон диафрагмы.Технический результат от использования полезной модели заключается в повышении технологичности турбомашины. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.The utility model relates to the field of turbomachines used as a drive for small-sized units, in particular pneumatic grinding tools. In a turbomachine containing a housing, a shaft with a rotation drive, a diaphragm mounted within the housing with a uniform radial clearance with respect to the latter, and a sealing ring, installed with the shaft covering around the periphery and attached to the diaphragm on its inner side, the sealing sleeve is installed with abutment to the shaft, and in the radial clearance between the diaphragm and A housing with a diaphragm span around the periphery has a ring with a cross-section greater than the width of the specified gap in radial extent, made of an elastic material impermeable to a gaseous medium. In a turbomachine, the shaft rotation drive can be made in the form of a turbine with two pressure stages, which are located at opposite sides of the diaphragm. The technical result of using the utility model is to increase the manufacturability of the turbomachine. 1 s.p. f-ly, 3 ill.

Description

Полезная модель относится к области турбомашин, применяемых в качестве привода малогабаритных агрегатов, в частности пневматических шлифовальных инструментов.The utility model relates to the field of turbomachines used as a drive for small-sized units, in particular pneumatic grinding tools.

Важнейшими требованиями, предъявляемыми к приводам малогабаритных агрегатов, являются компактность, энергетическая эффективность и технологичность. Турбомашины полностью удовлетворяют указанным требованиям.The most important requirements for drives of small-sized units are compactness, energy efficiency and manufacturability. Turbomachines fully meet the specified requirements.

Одной из важнейших особенностей турбомашин, ограничивающих область их возможного использования, является высокая скорость потока газа и, соответственно, высокая оптимальная частота вращения вала, при которой достигается максимальный КПД. Снижение оптимальной частоты вращения вала может быть достигнуто за счет применения многоступенчатых турбин со ступенями давления (И.И. Кириллов, А.И. Кириллов. Теория турбомашин, рис. VIII. 6, стр. 250. Л.: «Машиностроение», 1974. - 321 с.). При этом одной из проблем многоступенчатых турбин, требующих своего разрешения, является наличие протечек газа через радиальные зазоры между валом и диафрагмами, разделяющими ступени. Для снижения протечек в многоступенчатых турбинах традиционно применяются бесконтактные лабиринтовые уплотнения (Патент РФ на изобретение №2113596, F01D 11/02, 1998).One of the most important features of turbomachines, limiting the area of their possible use, is a high gas flow rate and, accordingly, a high optimal shaft speed at which maximum efficiency is achieved. Reducing the optimal shaft speed can be achieved through the use of multi-stage turbines with pressure steps (II Kirillov, AI Kirillov. Theory of turbomachines, Fig. VIII. 6, p. 250. L .: "Engineering", 1974 . - 321 p.). In this case, one of the problems of multistage turbines that need to be resolved is the presence of gas leaks through the radial gaps between the shaft and the diaphragms separating the stages. To reduce leaks in multi-stage turbines, non-contact labyrinth seals are traditionally used (RF Patent for the invention No. 2113596, F01D 11/02, 1998).

В малогабаритных агрегатах бесконтактные лабиринтовые уплотнения имеют крайне низкую уплотняющую способность. Это обусловлено тем, что при уменьшении размеров агрегата величина радиального зазора в бесконтактном лабиринтовом уплотнении технологически не может быть уменьшена в прямой пропорции к его исходным размерам. Как результат, в малоразмерной турбомашине площадь поперечного сечения радиального зазора бесконтактного лабиринтового уплотнения оказывается непропорционально большой по отношению к площади проходного сечения соплового аппарата. Это существенно повышает долю газа, протекающего через уплотнение, по отношению к общему расходу газа через турбомашину и существенно снижает ее энергетическую эффективность.In small units, non-contact labyrinth seals have an extremely low sealing ability. This is due to the fact that with a decrease in the size of the unit, the radial clearance in the non-contact labyrinth seal cannot be technologically reduced in direct proportion to its original size. As a result, in a small turbomachine, the cross-sectional area of the radial clearance of the non-contact labyrinth seal is disproportionately large with respect to the passage area of the nozzle apparatus. This significantly increases the proportion of gas flowing through the seal in relation to the total gas flow through the turbomachine and significantly reduces its energy efficiency.

Снизить протечки газа между ступенями давления турбомашины малогабаритных агрегатов способны контактные уплотнения, такие как уплотнение (Заявка US 2018355735, F01D 11/12, 2018), содержащее неподвижную манжету из антифрикционного материала, плотно прилегающую к выступам лабиринтов, размещенных на вращающемся роторе. Недостатком уплотнения является конструктивная сложность, обусловленная необходимостью обеспечения повышенных требований по взаимной концентричности корпуса, вала, диафрагмы и уплотнительной обоймы, без которой невозможно гарантировать отсутствие заклинивания турбомашины в процессе ее сборки и последующей эксплуатации.Contact gaskets, such as a gasket (Application US 2018355735, F01D 11/12, 2018), containing a fixed cuff of antifriction material that fits tightly to the protrusions of the labyrinths placed on a rotating rotor, can reduce gas leaks between the pressure stages of a turbomachine of small-sized units. The lack of sealing is the structural complexity due to the need to provide increased requirements for the mutual concentricity of the housing, shaft, diaphragm and sealing sleeve, without which it is impossible to guarantee that the turbomachine does not jam during assembly and subsequent operation.

Отсутствие простых и технологичных малоразмерных уплотнений с высокой уплотняющей способностью препятствует применению многоступенчатых турбин со ступенями давления в турбомашинах привода малогабаритных агрегатов.The lack of simple and technological small-sized seals with high sealing ability prevents the use of multi-stage turbines with pressure steps in the turbomachines of the drive of small-sized units.

Повышение технологичности контактных уплотнений возможно за счет применения узлов с центрированием диафрагмы непосредственно по валу, широко применяемых в различных областях техники. Известно контактное уплотнение подшипника скольжения (Авторское свидетельство СССР №184570, F06j, 1966), выполненное в виде установленного на валу уплотнительного пакета, препятствующего протечке жидкой среды по валу. Недостатком конструкции является ее сложность, так как она содержит раздельные радиальное и торцевое уплотнения, а также требует устройства угловой фиксации уплотнительного пакета. Другим недостатком уплотнения является неравномерный износ взаимодействующей с валом поверхности уплотнительной обоймы вследствие провисания уплотнительного пакета под действием собственной массы.Improving the manufacturability of contact seals is possible through the use of nodes with centering of the diaphragm directly along the shaft, widely used in various fields of technology. The contact seal of a sliding bearing is known (USSR Author's Certificate No. 184570, F06j, 1966), made in the form of a sealing bag mounted on the shaft that prevents leakage of liquid medium through the shaft. The disadvantage of the design is its complexity, since it contains separate radial and mechanical seals, and also requires an angular fixation device for the sealing bag. Another disadvantage of the seal is the uneven wear of the surface of the sealing ring interacting with the shaft due to sagging of the sealing bag under the action of its own weight.

Наиболее близкой к заявляемой по технической сущности и достигаемому результату, выбранной в качестве прототипа, является турбомашина (Авторское свидетельство СССР №250610, F01D 25/24, 1986). Турбомашина содержит корпус, вал с приводом вращения, диафрагму, установленную в пределах корпуса с равномерным радиальным зазором по отношению к последнему, и уплотнительную обойму, установленную с охватом вала по периферии и прикрепленную к диафрагме с ее внутренней стороны.Closest to the claimed technical essence and the achieved result, selected as a prototype, is a turbomachine (USSR Author's Certificate No. 250610, F01D 25/24, 1986). The turbomachine comprises a housing, a shaft with a rotational drive, a diaphragm mounted within the housing with a uniform radial clearance with respect to the latter, and a sealing sleeve installed with the shaft span around the periphery and attached to the diaphragm on its inside.

В турбомашине по прототипу диафрагма крепится к корпусу с помощью первой группы радиальных установочных штифтов, проходящих через радиальный зазор между диафрагмой и корпусом. Аналогичным образом с помощью второй группой радиальных установочных штифтов обойма уплотнения крепится к диафрагме с ее внутренней стороны. Уплотнение является бесконтактным, при этом центрирование уплотнительной обоймы - ее установка в требуемое радиальное положение относительно вала - достигается в процессе сборки с помощью слесарной пригонки двух групп установочных штифтов.In a prototype turbomachine, the diaphragm is attached to the housing using the first group of radial locating pins passing through the radial clearance between the diaphragm and the housing. Similarly, using the second group of radial locating pins, the seal sleeve is attached to the diaphragm on its inside. The seal is non-contact, and the centering of the sealing ring — its installation in the required radial position relative to the shaft — is achieved during assembly using the fitting of two groups of locating pins.

Центрирование является очень трудоемкой, ответственной операцией, так как даже небольшое радиальное смешение уплотнительной обоймы может привести к возникновению сухого трения и быстрому износу сопрягаемых поверхностей. Выполнение центрирования требует специфических профессиональных навыков у слесаря-сборщика, а также наличия специальных приспособлений и дорогостоящих измерительных приборов.Centering is a very time-consuming, responsible operation, since even a small radial mixing of the sealing sleeve can lead to dry friction and rapid wear of the mating surfaces. Performing centering requires specific professional skills of a fitter, as well as the availability of special devices and expensive measuring instruments.

Таким образом, недостатком турбомашины по прототипу, препятствующим ее применению в малогабаритных агрегатах, является низкая технологичность.Thus, the disadvantage of a turbomachine according to the prototype, which impedes its use in small-sized units, is its low adaptability.

Технологическая проблема, решаемая предлагаемой полезной моделью, - усовершенствование турбомашины.The technological problem solved by the proposed utility model is the improvement of a turbomachine.

Технический результат от использования полезной модели заключается в повышении технологичности турбомашины.The technical result from the use of a utility model is to increase the manufacturability of a turbomachine.

Указанный результат достигается тем, что в турбомашине, содержащей корпус, вал с приводом вращения, диафрагму, установленную в пределах корпуса с равномерным радиальным зазором по отношению к последнему, и уплотнительную обойму, установленную с охватом вала по периферии и прикрепленную к диафрагме с ее внутренней стороны, уплотнительная обойма установлена с прилеганием к валу, а в радиальном зазоре между диафрагмой и корпусом с охватом диафрагмы по периферии установлено кольцо с поперечным сечением, превышающим по своей радиальной протяженности ширину указанного зазора, выполненное из непроницаемого для газообразной среды эластичного материала.This result is achieved by the fact that in a turbomachine comprising a housing, a shaft with a rotational drive, a diaphragm mounted within the housing with a uniform radial clearance with respect to the latter, and a sealing sleeve installed with the shaft span around the periphery and attached to the diaphragm on its inside , the sealing ring is mounted adjacent to the shaft, and in the radial clearance between the diaphragm and the housing with the diaphragm spaced around the periphery, a ring with a cross section greater than its radial The width of the specified gap, made of impervious to a gaseous medium elastic material.

В турбомашине привод вращения вала может быть выполнен в виде турбины с двумя ступенями давления, которые расположены с противоположных сторон диафрагмы.In a turbomachine, the shaft rotation drive can be made in the form of a turbine with two pressure steps, which are located on opposite sides of the diaphragm.

На фиг. 1 приведен продольный разрез турбомашины; на фиг. 2 - местное сечение А на фиг. 1 (в увеличенном масштабе); на фиг. 3 - кольцо с поперечным сечением, имеющим форму круга, в недеформированном состоянии (в увеличенном масштабе).In FIG. 1 shows a longitudinal section of a turbomachine; in FIG. 2 is a local section A in FIG. 1 (on a larger scale); in FIG. 3 - a ring with a circular cross-section in an undeformed state (on an enlarged scale).

Турбомашина содержит корпус 1, вал 2 с приводом вращения и диафрагму 3, установленную в пределах корпуса 1 с равномерным радиальным зазором по отношению к последнему. К диафрагме 3 с ее внутренней стороны прикреплена уплотнительная обойма 4, установленная с охватом вала 2 по периферии и прилеганием к валу 2. В радиальном зазоре между диафрагмой 3 и корпусом 1 с охватом диафрагмы 3 по периферии установлено кольцо 5 с поперечным сечением, превышающим по своей радиальной протяженности ширину L указанного зазора, выполненное из непроницаемого для газообразной среды эластичного материала.The turbomachine comprises a housing 1, a shaft 2 with a rotation drive, and a diaphragm 3 mounted within the housing 1 with a uniform radial clearance with respect to the latter. A sealing collar 4 is mounted to the diaphragm 3 on its inner side, mounted with a circumference of the shaft 2 at the periphery and adjacent to the shaft 2. In the radial clearance between the diaphragm 3 and the housing 1 with the circumference of the diaphragm 3, a ring 5 with a cross section greater than radial extent, the width L of the specified gap, made of impervious to a gaseous medium elastic material.

Привод вращения вала 2 может представлять собой турбину с двумя ступенями давления, которые расположены с двух противоположных сторон диафрагмы 3. При этом первая ступень турбины содержит неподвижно установленный сопловой аппарат 6, прорезающий переднюю стенку 7, и установленное на валу 2 рабочее колесо 8. Вторая ступень турбины содержит неподвижно установленный сопловой аппарат 9, прорезающий диафрагму 3, и установленное на валу 2 рабочее колесо 10 второй ступени. Подводящий патрубок 11 пристыкован к передней стенке 7 напротив соплового аппарата 6. Выхлопные окна 12 выполнены в задней стенке 13. Вал 2 установлен в подшипниках 14 и 15, закрепленных, соответственно, в передней стенке 7 и задней стенке 13.The rotation drive of the shaft 2 can be a turbine with two pressure stages, which are located on two opposite sides of the diaphragm 3. In this case, the first stage of the turbine contains a fixed nozzle apparatus 6 cutting through the front wall 7 and an impeller 8 mounted on the shaft 2. The second stage the turbine contains a fixed nozzle apparatus 9, cutting through the diaphragm 3, and an impeller 10 of the second stage mounted on the shaft 2. The inlet pipe 11 is docked to the front wall 7 opposite the nozzle apparatus 6. The exhaust windows 12 are made in the rear wall 13. The shaft 2 is mounted in bearings 14 and 15 mounted, respectively, in the front wall 7 and the rear wall 13.

Наиболее технологичным вариантом формы поперечного сечения кольца 5 является круг, у которого диаметр поперечного сечения D, соответствующий радиальной протяженности кольца 5, превышает ширину L радиального зазора между диафрагмой 3 и корпусом 1. В качестве непроницаемого для газообразной среды эластичного материала, из которой выполнено кольцо 5, могут быть применены, например, резины или силикона.The most technologically advanced variant of the cross-sectional shape of the ring 5 is a circle in which the cross-sectional diameter D corresponding to the radial extent of the ring 5 exceeds the width L of the radial clearance between the diaphragm 3 and the housing 1. As a gas-impermeable elastic material from which the ring 5 is made can be applied, for example, rubber or silicone.

Турбомашина работает следующим образом. Газ подводится к сопловому аппарату 6 первой ступени, прорезающему переднюю стенку 7, через подводящий патрубок 11, далее ускоряется в сопловом аппарате 6 и, проходя через рабочее колесо 8 первой ступени, передает часть своей энергии валу 2, установленному в подшипниках 14 и 15. Затем газ проходит к сопловому аппарату 9 второй ступени, прорезающему диафрагму 3, далее повторно ускоряется в сопловом аппарате 9 и, проходя через рабочее колесо 10 второй ступени, передает оставшуюся часть своей энергии валу 2. Газ отводится от турбомашины через выхлопные окна 12, выполненные в задней стенке 13.Turbomachine works as follows. Gas is supplied to the nozzle apparatus 6 of the first stage, cutting through the front wall 7, through the inlet pipe 11, then accelerated in the nozzle apparatus 6 and, passing through the impeller 8 of the first stage, transfers part of its energy to the shaft 2 installed in bearings 14 and 15. Then the gas passes to the nozzle apparatus 9 of the second stage, cutting through the diaphragm 3, then is re-accelerated in the nozzle apparatus 9 and, passing through the impeller 10 of the second stage, transfers the remainder of its energy to the shaft 2. Gas is removed from the turbomachine through the exhaust windows 12 made in the rear wall 13.

Между первой и второй ступенью имеет место перепад давлений газа. Протечке газа между ступенями вдоль поверхности вала 2 препятствует уплотнительная обойма 4, центрирование которой производится по наружной поверхности вала 2. При этом диафрагма 3 не фиксируется в радиальном направлении по корпусу 1, так как установлена с радиальным зазором по отношению к последнему. Протечке газа между ступенями через указанный зазор препятствует кольцо 5, выполненное из непроницаемого для газообразной среды эластичного материала.Between the first and second stage there is a difference in gas pressure. The gas leak between the steps along the surface of the shaft 2 is prevented by a sealing sleeve 4, which is centered on the outer surface of the shaft 2. Moreover, the diaphragm 3 is not fixed in the radial direction along the housing 1, since it is installed with a radial clearance relative to the latter. The gas leak between the steps through the specified gap prevents the ring 5, made of impervious to a gaseous medium elastic material.

Как отмечалось выше, кольцо 5 имеет поперечное сечение, превышающее по своей радиальной протяженности ширину L радиального зазора между диафрагмой 3 и корпусом 1. Поэтому при установке в указанный зазор кольцо 5 получает поперечную деформацию, обеспечивающую его плотное прилегание к радиальным образующим указанного зазора и полное перекрытие его поперечного сечения.As noted above, the ring 5 has a cross section greater than the radial gap width L between the diaphragm 3 and the housing 1 in its radial extent. Therefore, when installed in the specified gap, the ring 5 receives a transverse deformation ensuring its tight fit to the radial generators of the specified gap and complete overlap its cross section.

Во время работы турбомашины имеет место фрикционное взаимодействие уплотнительной обоймы 4 и вала 2, в процессе которого формируется радиальный зазор между указанными элементами. Зазор имеет крайне малую величину, не превышающую значения допуска на цилиндричность вала 2 в зоне его соприкосновения с уплотнительной обоймой 4. Это обусловливает хорошую уплотняющую способность описываемой конструкции.During operation of the turbomachine, there is a frictional interaction between the sealing collar 4 and the shaft 2, during which a radial clearance is formed between these elements. The gap is extremely small, not exceeding the tolerance on the cylindricality of the shaft 2 in the zone of its contact with the sealing casing 4. This leads to good sealing ability of the described design.

В описываемой конструкции отсутствуют повышенные требования по взаимной концентричности корпуса 1, вала 2, диафрагмы 3 и уплотнительной обоймы 4. Это обусловлено тем, что благодаря эластичным свойствам кольца 5 перекрытие радиального зазора между диафрагмой 3 и корпусом 1 обеспечивается даже при некотором взаимном радиальном смещении диафрагмы 3 с уплотнительной обоймой 4 относительно вала 2 и корпуса 1. Соответственно, в процессе сборки заявляемой турбомашины не требуется проведение специальной процедуры центрирования уплотнительной обоймы 4.In the described construction there are no increased requirements for the mutual concentricity of the housing 1, the shaft 2, the diaphragm 3 and the sealing collar 4. This is due to the fact that due to the elastic properties of the ring 5, the overlap of the radial gap between the diaphragm 3 and the housing 1 is ensured even with some mutual radial displacement of the diaphragm 3 with a sealing sleeve 4 relative to the shaft 2 and the housing 1. Accordingly, in the assembly process of the inventive turbomachine does not require a special procedure for centering the sealing pits 4.

Сравнение заявляемой турбомашины и прототипа позволяют сделать вывод о лучшей технологичности заявляемой турбомашины.Comparison of the claimed turbomachine and the prototype allow us to conclude about the best adaptability of the claimed turbomachine.

Высокая технологичность может способствовать успешному применению заявляемой турбомашины в качестве привода малогабаритных агрегатов, в частности, пневматических шлифовальных инструментов.High manufacturability can contribute to the successful use of the inventive turbomachine as a drive of small-sized units, in particular, pneumatic grinding tools.

Все элементы описанной конструкции могут быть изготовлены на обычном обрабатывающем оборудовании.All elements of the described construction can be manufactured using conventional processing equipment.

Claims

1. A turbomachine comprising a housing, a shaft with a rotational drive, a diaphragm mounted within the housing with a uniform radial clearance with respect to the latter, and a sealing sleeve installed with the shaft span around the periphery and attached to the diaphragm on its inside, characterized in that a sealing ring is mounted adjacent to the shaft, and in the radial clearance between the diaphragm and the housing with the diaphragm spaced around the periphery, a ring with a cross section exceeding in width the radial extension the specified gap, made of impermeable to a gaseous medium elastic material.

2. A turbomachine according to claim 1, characterized in that the shaft rotation drive is made in the form of a turbine with two pressure steps that are located on opposite sides of the diaphragm.