RU218458U1 - Rotor brush seal - Google Patents
Rotor brush seal Download PDFInfo
- Publication number
- RU218458U1 RU218458U1 RU2023105098U RU2023105098U RU218458U1 RU 218458 U1 RU218458 U1 RU 218458U1 RU 2023105098 U RU2023105098 U RU 2023105098U RU 2023105098 U RU2023105098 U RU 2023105098U RU 218458 U1 RU218458 U1 RU 218458U1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- bristles
- brush
- rotor
- seal
- brush seal
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Полезная модель относится к технологии изготовления уплотнений и может быть использована в газотурбостроении, машиностроении, авиадвигателестроении и других областях техники. Щеточное уплотнение ротора выполнено в виде прижимной щеки и последовательно состыкованных с ней элементов - кольцевой проволочной щетки, состоящей из плотно упакованных щетинок, наклоненных относительно радиальной оси щеточного уплотнения по направлению вращения ротора, и опорной щеки, со свободным торцом щетки, образующим контактную поверхность, эквидистантную поверхности ротора в зоне их контакта. При этом прижимная щека, кольцевая проволочная щетка и опорная щека выполнены с наклоном вперед в сторону набегающего потока под углом 45° к продольной оси ротора, а угол наклона щетинок относительно радиальной оси щеточного уплотнения составляет 60°. Диаметр щетинок уплотнения равен 0,2 мм, а щетинки выполнены из сплава состава, вес.%: Cr - 18 - 22; Ni - 9 - 11; Mn - 1,2 - 1,6; Fe - 2,9 - 3,2; Si - 0,2 - 0,3; Y - 1,1-1,4; C - 0,05 - 0,09; Со - остальное.
Description
Полезная модель относится к технологии изготовления уплотнений и может быть использована в газотурбостроении, машиностроении, авиадвигателестроении и других областях техники.The utility model relates to the technology of manufacturing seals and can be used in gas turbine building, mechanical engineering, aircraft engine building and other fields of technology.
Повышение эффективности работы газовых и паровых турбин связано с совершенствованием конструкций и технологий изготовления радиальных уплотнений газовоздушного тракта, позволяющих сократить утечки рабочей среды между разделяемыми полостями. Одними из перспективных видов уплотнений являются щеточные, представляющие собой круговой массив множества близкорасположенных малоразмерных уплотнительных элементов - щетинок (Патент РФ №2210694. МПК F16J 15/32. Способ изготовления щеточного уплотнения и устройство для его осуществления. Опубл. 20.08.2003).Improving the efficiency of gas and steam turbines is associated with the improvement of designs and manufacturing technologies for radial seals of the gas-air path, which make it possible to reduce the leakage of the working medium between the separated cavities. One of the promising types of seals are brush seals, which are a circular array of many closely spaced small-sized sealing elements - bristles (RF Patent No. 2210694. IPC F16J 15/32. Method for manufacturing a brush seal and a device for its implementation. Published on August 20, 2003).
Известно, что для обеспечения оптимальной работы уплотнения уплотнительные элементы (щетинки) должны быть достаточно упругими, чтобы компенсировать колебания радиального зазора в условиях высокой вибрации, а величина натяга должна соответствовать величине, при которой мощность, затрачиваемая на преодоление силы трения в одном уплотнении, не превышает 0,15% от мощности, потребляемой валом при максимальном его вращении.It is known that in order to ensure optimal operation of the seal, the sealing elements (bristles) must be elastic enough to compensate for fluctuations in the radial clearance under high vibration conditions, and the amount of interference must correspond to the value at which the power expended to overcome the friction force in one seal does not exceed 0.15% of the power consumed by the shaft at its maximum rotation.
Известно щеточное уплотнение, содержащее кольцевой пакет свободных с одного конца и закрепленных с другого уплотнительных элементов, зазоры между которыми заполнены фиксирующим и герметизирующим составом, при этом пакет закреплен между боковыми пластинами, а уплотнительные элементы кольцевого пакета выполнены в виде капиллярных трубок, заполненных антифрикционным материалом (А.С. СССР №1725609. МПК F16J 15/16. Щеточное уплотнение. Опубл. 2005).A brush seal is known, containing an annular package free from one end and fixed from the other sealing elements, the gaps between which are filled with a fixing and sealing composition, while the package is fixed between the side plates, and the sealing elements of the annular package are made in the form of capillary tubes filled with antifriction material ( A.S. USSR No. 1725609. IPC F16J 15/16. Brush seal. Published 2005).
Недостатком рассматриваемого уплотнения является разрушение герметика в результате разогрева элементов щеточного уплотнения при контакте с вращающимся ротором, вследствие чего увеличивается утечка рабочего тела и снижается ресурс работы уплотнения.The disadvantage of the seal under consideration is the destruction of the sealant as a result of heating of the elements of the brush seal in contact with the rotating rotor, which increases the leakage of the working fluid and reduces the service life of the seal.
Известно также щеточное уплотнение, выполненное в виде прижимной щеки и последовательно состыкованных с ней элементов - кольцевой проволочной щетки и опорной щеки, при этом состыкованные элементы выполнены одинаковыми по наружному диаметру (А.С. СССР №1462916. МПК F16J 15/16. Способ изготовления щеточного уплотнения. Опубл. 1996 г. ).A brush seal is also known, made in the form of a pressing cheek and elements connected in series with it - an annular wire brush and a support cheek, while the joined elements are made identical in outer diameter (A.S. USSR No. 1462916. IPC F16J 15/16. Manufacturing method brush seal, publ. 1996).
Недостатком известных устройств является повышенная утечка рабочего тела из-за значительных зазоров между проволочными щетинками.The disadvantage of the known devices is the increased leakage of the working fluid due to significant gaps between the wire bristles.
Наиболее близким техническим решением к заявленному является щеточное уплотнение, содержащее размещенные по окружности в корпусе пучки проволочек, расположенные в плоскости, перпендикулярной оси вращения вала, причем проволочки выполнены из различных материалов. При этом проволочки из материала с высоким коэффициентом теплопроводности расположены внутри пучков, а проволочки из материала с более высоким значением модуля упругости - снаружи (А.С. СССР №1665136. МПК F16J 15/16. Щеточное уплотнение. Бюл. №27 1991 г).The closest technical solution to the claimed one is a brush seal containing bundles of wires placed around the circumference in the housing, located in a plane perpendicular to the axis of rotation of the shaft, and the wires are made of various materials. In this case, the wires from a material with a high coefficient of thermal conductivity are located inside the bundles, and the wires from a material with a higher value of the modulus of elasticity are located outside (A.S. USSR No. 1665136. IPC F16J 15/16. Brush seal. Bull. No. 27 1991) .
Недостатком данной конструкции является то, что размещение в одном пучке проволочек из материалов с различными значениями модуля упругости приводит к неравномерности работы элементов уплотнения и к повышению зазоров между щетинами за счет различной пластической деформации элементов, выполненных из различных материалов. В результате возникает эффект расклинивания одних щетинок другими, что снижает герметичность уплотнения и приводит к повышенной утечке рабочего тела.The disadvantage of this design is that the placement of wires from materials with different values of the elastic modulus in one bundle leads to uneven operation of the sealing elements and to an increase in the gaps between the bristles due to different plastic deformation of elements made of different materials. As a result, there is an effect of wedging of some bristles by others, which reduces the tightness of the seal and leads to increased leakage of the working fluid.
Требуемая степень герметичности полостей обеспечивается определенным количеством плотно уложенных металлических проволок-щетинок в зазоре уплотняемой пары. В одной уплотняющей ступени они укладываются одна относительно другой в несколько слоев и образуют довольно большой по ширине слой щеточных элементов между боковыми пластинами. Возможен вариант выполнения небольшого количества слоев металлических щетинок между боковыми пластинами одной ступени, но тогда для обеспечения требуемой герметичности полостей формируют набор таких элементов в несколько ступеней. Увеличение плотности и количества слоев щетинок приводит к повышению жесткости массива щеточных элементов и, как следствие, к чрезмерному обжатию уплотняемой поверхности, что снижает мощность на валу двигателя и его ресурс из-за быстрого износа контактирующих пар.The required degree of tightness of the cavities is provided by a certain number of densely packed metal wires-bristle in the gap of the sealed pair. In one sealing stage, they are stacked one relative to the other in several layers and form a rather large layer of brush elements between the side plates. It is possible to perform a small number of layers of metal bristles between the side plates of one stage, but then to ensure the required tightness of the cavities, a set of such elements is formed in several stages. An increase in the density and number of layers of bristles leads to an increase in the rigidity of the array of brush elements and, as a result, to excessive compression of the sealed surface, which reduces the power on the motor shaft and its resource due to the rapid wear of the contacting pairs.
Другим недостатком известных уплотнений (Патент РФ №2210694, А.С. СССР №№1725609, 1462916,1665136) является недостаточно высокая износостойкость щетинок при трении о контактную поверхность, что приводит к потере функциональных свойств уплотнения и возникновению вероятности отрыва щетинок в процессе длительной эксплуатации.Another disadvantage of the known seals (RF Patent No. 2210694, A.S. USSR No. 1725609, 1462916, 1665136) is the insufficiently high wear resistance of the bristles during friction against the contact surface, which leads to the loss of the functional properties of the seal and the likelihood of the bristles breaking off during long-term operation. .
Задачей и техническим результатом данной полезной модели является повышение герметичности щеточного уплотнения.The objective and technical result of this utility model is to increase the tightness of the brush seal.
Технический результат достигается за счет того, что в щеточном уплотнении ротора, выполненном в виде прижимной щеки и последовательно состыкованных с ней элементов - кольцевой проволочной щетки, состоящей из плотно упакованных щетинок, наклоненных относительно радиальной оси щеточного уплотнения по направлению вращения ротора и опорной щеки, со свободным торцом щетки, образующим контактную поверхность, эквидистантную поверхности ротора в зоне их контакта в отличие от прототипа упомянутые прижимная щека, кольцевая проволочная щетка и опорная щека выполнены наклонными вперед в сторону набегающего потока с углом наклона 45° к продольной оси ротора, а угол наклона щетинок относительно радиальной оси щеточного уплотнения составляет 60°, причем диаметр щетинок равен 0,2 мм, а щетинки выполнены из сплава состава, вес. %: Cr - 18 - 22; Ni - 9 - 11; Mn - 1,2 - 1,6; Fe - 2,9 - 3,2; Si - 0,2 - 0,3; Y - 1,1 - 1,4; C - 0,05 - ,09; Со - остальное.The technical result is achieved due to the fact that in the brush seal of the rotor, made in the form of a pressing cheek and elements connected in series with it - an annular wire brush, consisting of densely packed bristles, inclined relative to the radial axis of the brush seal in the direction of rotation of the rotor and the supporting cheek, with the free end of the brush, forming a contact surface equidistant to the surface of the rotor in the zone of their contact, in contrast to the prototype, the mentioned pressing cheek, annular wire brush and the supporting cheek are made inclined forward towards the oncoming flow with an inclination angle of 45° to the longitudinal axis of the rotor, and the angle of inclination of the bristles relative to the radial axis of the brush seal is 60°, and the diameter of the bristles is 0.2 mm, and the bristles are made of an alloy composition, wt. %: Cr - 18 - 22; Ni - 9 - 11; Mn - 1.2 - 1.6; Fe - 2.9 - 3.2; Si - 0.2 - 0.3; Y - 1.1 - 1.4; C - 0.05 - .09; Co - the rest.
Подобное расположение, размеры и материал щетинок в щеточном уплотнении направлены на обеспечение уплотнением герметичности, поскольку герметичность связана с плотностью укладки металлических проволок-щетинок в зазоре уплотняемой пары, а сами щетинки должны быть достаточно упругими и сохранять свои размерные и геометрические характеристики.Such an arrangement, dimensions and material of the bristles in the brush seal are aimed at ensuring tightness by the seal, since the tightness is related to the tightness of the metal wire-bristles in the gap of the sealed pair, and the bristles themselves must be sufficiently elastic and retain their dimensional and geometric characteristics.
Широко известно [например, Л.Л. Филимонова. Модель работы щеточного уплотнения ГТД. //Вестник двигателестроения. №1, 2011 г., С. 50-57.], что к основным характеристикам щеточного уплотнения относятся такие, как свободная длина щетинок, выступ щетинок из области прижимной щеки, диаметр щетинок и плотность их расположения по сечению щетки. При этом, с увеличением диаметра щетинок уплотнение обеспечивает больший перепад давлений, но при этом ухудшается герметизация.It is widely known [for example, L.L. Filimonov. Model of operation of the GTE brush seal. //Bulletin of engine building. No. 1, 2011, pp. 50-57.], that the main characteristics of the brush seal include such as the free length of the bristles, the protrusion of the bristles from the area of the pressing cheek, the diameter of the bristles and the density of their arrangement over the cross section of the brush. At the same time, with an increase in the diameter of the bristles, the seal provides a greater pressure drop, but the sealing deteriorates.
Увеличение величины выступа щетинок повышает податливость уплотнения, но снижает выдерживаемый уплотнением перепад давлений. Повышение плотности щетинок снижает утечку через уплотнение, однако при этом возрастает значение перепада давлений, выдерживаемых уплотнением. Уменьшение свободной длины щетинок позволяет увеличить выдерживаемый перепад давлений и снизить утечку, но приводит к увеличению жесткости щеточного уплотнения, увеличению тепловыделения от трения щеток по ротору и снижению ресурса щеток. Однако, как показывает практика, нежелательно снижать утечку уменьшением свободной длины щетинок.Increasing the protrusion of the bristles increases the compliance of the seal, but reduces the differential pressure that the seal can withstand. Increasing the density of the bristles reduces leakage through the seal, but increases the pressure drop that the seal can withstand. Reducing the free length of the bristles increases the pressure drop and reduces leakage, but increases the rigidity of the brush seal, increases the heat generated by the friction of the brushes on the rotor and reduces the life of the brushes. However, as practice shows, it is undesirable to reduce leakage by reducing the free length of the bristles.
В этой связи, в щеточном уплотнении повышается площадь контакта на границе «уплотнение-ротор» за счет угла наклона в 45 градусов щетки относительно продольной оси ротора вперед в сторону набегающего потока. Кроме того, острый угол 45 градусов, при выполнении щетки с наклоном вперед в сторону набегающего потока, позволяет обеспечить большую жесткость уплотнения в направлении действия потока, при одновременном повышении его податливости в радиальном направлении. Это позволяет, также увеличить как свободную длину щетинок, так и их выступ, без снижения жесткости в направлении действия потока. Очевидно, что если расположить щетинки при тупом угле в направлении действия потока, как это предлагается сделать в работе [В.А. Мамедов, Ф.Э. Аслан-заде. Применение неметаллических щеточных уплотнений на больших индустриальных газотурбинных двигателях. //Вестник двигателестроения. №1, 2012 г., С. 83-91.], то при повышении податливости уплотнения будет значительно снижена его жесткость в направлении действия потока и эффект герметизации уплотнения резко снизиться.In this regard, in the brush seal, the contact area at the “seal-rotor” boundary increases due to the angle of inclination of 45 degrees of the brush relative to the longitudinal axis of the rotor forward towards the oncoming flow. In addition, the acute angle of 45 degrees, when the brush is made with a forward inclination towards the oncoming flow, makes it possible to provide a greater rigidity of the seal in the direction of the flow, while increasing its compliance in the radial direction. This makes it possible also to increase both the free length of the bristles and their protrusion, without reducing the rigidity in the direction of flow. Obviously, if the bristles are arranged at an obtuse angle in the direction of the flow, as proposed in [V.A. Mamedov, F.E. Aslan-zade. Application of non-metallic brush seals on large industrial gas turbine engines. //Bulletin of engine building. No. 1, 2012, pp. 83-91.], then with an increase in the compliance of the seal, its rigidity in the direction of the flow will be significantly reduced and the sealing effect of the seal will sharply decrease.
Для изготовления щеточного уплотнения может быть использовано устройство для изготовления щеточного уплотнения ротора, содержащее оправку в виде колец, установленных концентрично с зазором относительно друг друга и скрепленных по окружности винтами, устройство для намотки и укладки проволоки, катушку с проволокой.For the manufacture of a brush seal, a device for the manufacture of a brush seal of the rotor can be used, containing a mandrel in the form of rings installed concentrically with a gap relative to each other and fastened around the circumference with screws, a device for winding and laying wire, a coil with wire.
Сущность полезной модели поясняется чертежами. The essence of the utility model is illustrated by drawings.
На фиг.1 показано щеточное уплотнение ротора в поперечном разрезе. Figure 1 shows the brush seal of the rotor in cross section.
На фиг.2 представлен внешний вид щеточного уплотнения. Figure 2 shows the appearance of the brush seal.
Фиг. 1и 2 содержат: 1 - проволочная щетка, 2 - прижимная щека, 3 - опорная щека, 4 - статор, 5 - ротор, 6 - технологическое кольцо. Угол α = 45° - угол наклона щеточного уплотнения к поверхности ротора, β = 60° - угол наклона щетинок относительно радиальной оси щеточного уплотнения.Fig. 1 and 2 contain: 1 - wire brush, 2 - pressing cheek, 3 - supporting cheek, 4 - stator, 5 - rotor, 6 - technological ring. Angle α = 45° - angle of inclination of the brush seal to the surface of the rotor, β = 60° - angle of inclination of the bristles relative to the radial axis of the brush seal.
Щеточное уплотнение ротора (фиг. 1) состоит из прижимной щеки 2 и последовательно состыкованных с ней кольцевой проволочной щетки 1 и опорной щеки 3. Наружная цилиндрическая поверхность прижимной щеки 2 выполнена под установочное гнездо в статоре 4. The brush seal of the rotor (Fig. 1) consists of a
Стыковочные элементы выполнены одинаковыми по наружному диаметру. В опорной щеке 3 щеточного уплотнения может быть установлен фиксирующий штифт.Docking elements are made identical in outer diameter. A fixing pin can be installed in the
Для изготовления щеточного уплотнения роторов может быть использовано устройство, содержащее оправку для навивки проволок, содержащую скрепленные между собой наружное, среднее и внутреннее кольца. Устройство снабжено катушкой с проволокой и центрирующими обоймами со ступицами, связанными крепежными элементами (не показано).For the manufacture of a brush seal of the rotors, a device can be used, containing a mandrel for winding wires, containing outer, middle and inner rings fastened together. The device is equipped with a coil of wire and centering clips with hubs connected by fasteners (not shown).
Пример.Example.
Для оценки работоспособности щеточного уплотнений, были проведены следующие сравнительные испытания. Образцы щеточных уплотнений были изготовлены как по способу-прототипу (патент РФ №2210694), так и по предлагаемому способу. Диаметр проволочек для щеточного уплотнения в обоих случаях составлял 0,2 мм. По предлагаемой полезной модели щеточное уплотнение было выполнено со следующими параметрами: прижимная щека, кольцевая проволочная щетка и опорная щека выполнены наклоненными вперед в сторону набегающего потока под углом 45° к продольной оси ротора; угол наклона щетинок относительно радиальной оси щеточного уплотнения составлял 60°, щетинки выполнены из сплава состава, вес.%: Cr -18 - 22; Ni - 9 - 11; Mn - 1,2 - 1,6; Fe - 2,9 - 3,2; Si - 0,2 - 0,3; Y - 1,1 - 1,4; C - 0,05-0,09; Со - остальное.To evaluate the performance of the brush seals, the following comparative tests were carried out. Samples of brush seals were made both according to the prototype method (RF patent No. 2210694), and according to the proposed method. The diameter of the wires for the brush seal in both cases was 0.2 mm. According to the proposed utility model, the brush seal was made with the following parameters: the pressing cheek, the annular wire brush and the support cheek are made inclined forward towards the oncoming flow at an angle of 45° to the longitudinal axis of the rotor; the angle of inclination of the bristles relative to the radial axis of the brush seal was 60°, the bristles are made of an alloy composition, wt.%: Cr -18 - 22; Ni - 9 - 11; Mn - 1.2 - 1.6; Fe - 2.9 - 3.2; Si - 0.2 - 0.3; Y - 1.1 - 1.4; C - 0.05-0.09; Co - the rest.
Условия испытаний: линейная скорость - 80 м/c, зазор - 90 мкм.Test conditions: linear speed - 80 m/s, gap - 90 microns.
Средняя величина утечек через сравниваемые варианты щеточных уплотненийTable
Average leakage across comparable brush seal options
Предлагаемое щеточное уплотнение позволило снизить величину утечки, в среднем в 2 с лишним раза (таблица).The proposed brush seal made it possible to reduce the amount of leakage by more than 2 times on average (table).
Средняя величина износа уплотнений за 120 ч работы составила:The average value of wear of seals for 120 hours of operation was:
для прототипа - 0,24 мм;for the prototype - 0.24 mm;
для предлагаемого уплотнения - 0,11 мм.for the proposed seal - 0.11 mm.
Таким образом, предложенное щеточное уплотнение позволило достичь поставленного в полезной модели технического результата - повышения герметичности щеточного уплотнения.Thus, the proposed brush seal made it possible to achieve the technical result set in the utility model - increasing the tightness of the brush seal.
Claims (2)
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU218458U1 true RU218458U1 (en) | 2023-05-26 |
Family
ID=
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU1665136A1 (en) * | 1989-07-11 | 1991-07-23 | Куйбышевский авиационный институт им.акад.С.П.Королева | Brush seal |
| SU1462916A1 (en) * | 1987-06-15 | 1996-10-10 | В.Е. Резник | Method of manufacturing brush seal |
| RU2705103C1 (en) * | 2019-04-05 | 2019-11-05 | Публичное акционерное общество "ОДК - Уфимское моторостроительное производственное объединение" (ПАО "ОДК - УМПО") | Turbomachine brush seal |
| RU2719753C1 (en) * | 2019-11-25 | 2020-04-23 | Акционерное общество "ОДК-Климов" | Brush seal |
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU1462916A1 (en) * | 1987-06-15 | 1996-10-10 | В.Е. Резник | Method of manufacturing brush seal |
| SU1665136A1 (en) * | 1989-07-11 | 1991-07-23 | Куйбышевский авиационный институт им.акад.С.П.Королева | Brush seal |
| RU2705103C1 (en) * | 2019-04-05 | 2019-11-05 | Публичное акционерное общество "ОДК - Уфимское моторостроительное производственное объединение" (ПАО "ОДК - УМПО") | Turbomachine brush seal |
| RU2719753C1 (en) * | 2019-11-25 | 2020-04-23 | Акционерное общество "ОДК-Климов" | Brush seal |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN1215251C (en) | Sealing arrngement for fluid turbines | |
| US5401036A (en) | Brush seal device having a recessed back plate | |
| JP5178102B2 (en) | Shaft seal using a single elastic plate member | |
| US6808179B1 (en) | Turbomachinery seal | |
| RU2309314C2 (en) | Multiple rod brush sealing unit for rotor apparatus (versions) | |
| JP3692300B2 (en) | Shaft seal and turbine using the same | |
| US20080001363A1 (en) | Brush sealing system and method for rotary machines | |
| US20090315272A1 (en) | Brush seal device | |
| US7549835B2 (en) | Leakage flow control and seal wear minimization system for a turbine engine | |
| US20110227289A1 (en) | Brush seal | |
| US8152462B1 (en) | Card seal with conical flexible seal | |
| CN1467395A (en) | Seal for a rotating member | |
| US10190432B2 (en) | Brush seal assembly | |
| US8393859B1 (en) | Card seal for a turbine | |
| WO2011162330A1 (en) | Axial seal structure and rotation mechanism provided with same | |
| US6612581B2 (en) | Brush seal coil for rotary machinery and method of retrofitting | |
| US9784371B2 (en) | Brush seal | |
| EP2592310B1 (en) | Leaf seal | |
| RU218458U1 (en) | Rotor brush seal | |
| JP2013139874A (en) | Compliant plate seal for use by rotating machine and method of assembling rotating machine | |
| US10228061B2 (en) | Seal arrangement | |
| US20150021860A1 (en) | Leaf seal | |
| RU218459U1 (en) | brush seal | |
| CN113825916A (en) | Shaft-cylinder assembly for high temperature operation | |
| US8333544B1 (en) | Card seal for a turbomachine |