RU63892U1

RU63892U1 - LABYRINTH SEAL

Info

Publication number: RU63892U1
Application number: RU2006142023/22U
Authority: RU
Inventors: Федор Дмитриевич Ильющенко
Priority date: 2006-11-27
Filing date: 2006-11-27
Publication date: 2007-06-10

Abstract

1. Объект изобретения1. The object of the invention

Лабиринтное уплотнение.Labyrinth seal.

2. Область применения2. Scope

Машиностроение: средства уплотнительной техники, в частности, между ротором и статором.Engineering: means of sealing equipment, in particular, between the rotor and stator.

3. Суть изобретения3. The essence of the invention

Лабиринтное уплотнение между соосно размещенными уплотняемой и уплотняющей деталями, образованное гребешками колец зигзагообразного сечения, установленных с зазором относительно уплотняемой детали и жестко взаимосвязанных с уплотняющей деталью, а упомянутые кольца выполнены каждое в виде ленты, зигзагообразной в окружном сечении.A labyrinth seal between the coaxially placed sealing and sealing parts, formed by the combs of the zigzag section rings, installed with a gap relative to the sealing part and rigidly interconnected with the sealing part, and said rings are each made in the form of a tape zigzag in the circumferential section.

4. Технические результаты4. Technical Results

Повышение надежности и долговечности лабиринтного уплотнения наряду с простотой и технологичностью конструкции.Improving the reliability and durability of the labyrinth seal along with the simplicity and manufacturability of the design.

1 н.п. ф-лы, 3 з.п. ф-лы, 3 ил.1 n.p. f-ly, 3 z.p. f-ly, 3 ill.

Description

Заявляемое техническое решение относится к средствам уплотнительной техники для предотвращения или сведения к минимуму внутренних утечек рабочей среды, в частности - между ротором и статором, посредством лабиринтных уплотнений.The claimed technical solution relates to means of sealing equipment to prevent or minimize internal leakage of the working medium, in particular between the rotor and the stator, through labyrinth seals.

Обычно лабиринтные уплотнения между ротором и статором содержат ряд параллельных лабиринтных гребешков (по меньшей мере, два), находящихся на уплотняющей детали, и ответную уплотняемую деталь.Typically, labyrinth seals between the rotor and the stator comprise a series of parallel labyrinth scallops (at least two) located on the sealing part, and a reciprocal sealing part.

Поверхности, образованные боковыми стенками лабиринтных гребешков и основанием уплотняющей детали между гребешками в сочетании с ответной поверхностью уплотняемой детали, образуют незамкнутые полости. Между гребешкам и поверхностью уплотняемой детали существует зазор, через который происходит перетекание рабочей среды (обычно - газа) из полости с большим давлением в полость с меньшим давлением.The surfaces formed by the side walls of the labyrinth scallops and the base of the sealing part between the scallops, in combination with the counter surface of the sealing part, form open cavities. Between the combs and the surface of the sealed part there is a gap through which the working medium (usually gas) flows from the cavity with high pressure into the cavity with lower pressure.

Для уменьшения такого перетекания между полостями упомянутый зазор необходимо выдерживать на минимальном уровне, но при этом обеспечить отсутствие касания гребешков с поверхностью уплотняемой детали. В противном случае от трения будут происходить локальный нагрев трущихся поверхностей, приводящий к свариванию их между собой и механическим повреждениям.To reduce such a flow between the cavities, the aforementioned gap must be kept at a minimum level, but at the same time ensure that the combs do not touch the surface of the component being sealed. Otherwise, from friction, local heating of the rubbing surfaces will occur, leading to their welding together and mechanical damage.

На выбор минимального зазора с гарантией от касания влияет множество факторов: отклонение от соосности между ротором и статором, точность изготовления деталей ротора и статора, их деформации при работе, вибрации, температурные расширения, режимы работы машины и т.д. Обычно каждый экземпляр машины имеет свои особенности, и величины зазора должны быть разными.The choice of the minimum clearance with a guarantee against contact is influenced by many factors: deviation from alignment between the rotor and the stator, the accuracy of the manufacture of the parts of the rotor and stator, their deformation during operation, vibration, thermal expansion, machine operating conditions, etc. Typically, each copy of the machine has its own characteristics, and the gap should be different.

Поэтому при серийном производстве машин с использованием лабиринтных уплотнений прибегают к гарантированным зазорам, рассчитанным по крайним отклонениям, допустимым в производстве, сборке и эксплуатации, идя на заведомое увеличение перетекания газа между полостями, или же прибегают к прирабатываемым лабиринтным уплотнениям.Therefore, in the mass production of machines using labyrinth seals, they resort to guaranteed clearances calculated according to extreme deviations acceptable in production, assembly and operation, going for a deliberate increase in gas flow between the cavities, or resort to the labyrinth seals being worked in.

Прирабатываемое лабиринтное уплотнение выполняется с гребешками, которые при работе контактируют с ответной поверхностью уплотняемой детали. В этом случае возможны два варианта исполнения лабиринтного уплотнения:The labyrinth seal being worked on is made with combs, which during operation come into contact with the counter surface of the sealing part. In this case, two versions of the labyrinth seal are possible:

1. Материал гребешков лабиринтного уплотнения выбирается таким, чтобы его износостойкость была меньше износостойкости ответной поверхности, и таким образом при работе истираются гребешки лабиринтного уплотнения.1. The material of the combs of the labyrinth seal is selected so that its wear resistance is less than the wear resistance of the counter surface, and thus the combs of the labyrinth seal are abraded during operation.

2. Износостойкость гребешков выше износостойкости ответной поверхности и при работе истирается материал ответной поверхности.2. The wear resistance of the scallops is higher than the wear resistance of the counter surface and the material of the counter surface is abraded during operation.

В настоящее время хорошо известны различные исполнения лабиринтных уплотнений.At present, various designs of labyrinth seals are well known.

Известно лабиринтное уплотнение с кольцевыми гребешками, выполненными из металлических лент (см. Марцинковский В.А. "Щелевые уплотнения: теория и практика", издательство Сумского государственного университета, Сумы, 2005. - с.386).A labyrinth seal with annular scallops made of metal strips is known (see V. Martsinkovsky, “Slot Seals: Theory and Practice,” Sumy State University Publishing House, Sumy, 2005. - p. 386).

Эта конструкция допускает врезание гребешков в случае контакта с уплотняемой деталью, достаточно проста в производстве, поскольку не требует дополнительной обработки уплотняемой детали и вспомогательных конструктивных элементов.This design allows the insertion of scallops in case of contact with the sealed part, it is quite simple to manufacture, since it does not require additional processing of the sealed part and auxiliary structural elements.

Однако это решение не лишено недостатков. Вершины гребешков в случае значительного врезания быстро изнашиваются вследствие локального нагрева как вершин гребешков, так и уплотняемой детали. Кроме того, прямые гребешки имеют низкую жесткость при боковой нагрузке, поэтому могут легко деформироваться при изготовлении, сборке и особенно при эксплуатации.However, this solution is not without drawbacks. The vertices of the combs, in the event of significant incisions, quickly wear out due to local heating of both the vertices of the combs and the component being sealed. In addition, straight scallops have low stiffness under lateral loading, therefore, they can easily be deformed during manufacture, assembly, and especially during operation.

Также известно лабиринтное уплотнение с прирабатываемыми гребешками (см. АС СССР №1546763, заявитель Тернопольский филиал Львовского политехнического института, заявлено 07.05.1988, опубликовано 28.02.1990).Also known is a labyrinth seal with run-in scallops (see USSR AS No. 1546763, applicant Ternopil branch of the Lviv Polytechnic Institute, announced 05/07/1988, published 02/28/1990).

В общей продольной оси этого устройства, между уплотняемой (валом ротора) и уплотняющей (статором) деталями, размещено множество колец одинакового зигзагообразного сечения в осевом направлении. Зигзаги колец идентичны между собой.In the common longitudinal axis of this device, between the sealed (rotor shaft) and the sealing (stator) parts, there are many rings of the same zigzag section in the axial direction. Zigzag rings are identical to each other.

Кольца по внутренней окружности установлены с зазором относительно уплотняемой детали (вала ротора) и жестко взаимосвязаны с уплотняющей деталью типа обоймы, состоящей из полуобойм. При этом зигзагообразные кольца, каждое, большей своей окружностью жестко прикреплены к общему основанию типа вставки, охваченной упомянутыми полуобоймами статора. Тем самым они образуют множество отдельных гребешков, зигзагообразных в осевом направлении, свободных по внутренней окружности и жестко скрепленных между собой по наружной.The rings on the inner circumference are installed with a gap relative to the sealed part (rotor shaft) and are rigidly interconnected with the sealing part, such as a cage, consisting of half cages. In this case, zigzag rings, each with a larger circumference, are rigidly attached to a common base such as an insert covered by the stator half-shells. Thus, they form many individual scallops, zigzag in the axial direction, free along the inner circumference and rigidly bonded to each other on the outside.

В известном техническом решении материал гребешков имеет меньшую износостойкость, чем материал ответной поверхности уплотняемой детали, вследствие чего при работе изнашиваются вершины этих гребешков, а форма гребешков и их материал позволяют сохранять зазор неизменным.In the known technical solution, the material of the scallops has less wear resistance than the material of the counter surface of the sealed part, as a result of which the vertices of these scallops wear out during operation, and the shape of the scallops and their material allow the gap to remain unchanged.

Гребешки в данной конструкции выполнены из полимерных материалов, не обладают высокой прочностью и не могут работать при повышенных температурах. Тем не менее, для таких условий возможен подбор материалов с необходимыми характеристиками.Scallops in this design are made of polymeric materials, do not have high strength and cannot work at elevated temperatures. However, for such conditions, it is possible to select materials with the necessary characteristics.

Исходя из выше изложенного, данное техническое решение по совокупности признаков и близости технических результатов было выбрано в качестве прототипа.Based on the foregoing, this technical solution for the combination of features and proximity of technical results was chosen as a prototype.

Основной задачей, стоявшей перед автором, было создание лабиринтного уплотнения, которое позволило бы получить определенный технический результат, состоящий из нескольких взаимозависимых технических результатов, а именно:The main task facing the author was the creation of a labyrinth seal, which would allow to obtain a certain technical result, consisting of several interdependent technical results, namely:

- повышение надежности и долговечности лабиринтного уплотнения наряду с простотой и технологичностью конструкции, а также обеспечение ее работоспособности в области высоких температур наряду с:- improving the reliability and durability of the labyrinth seal along with the simplicity and manufacturability of the design, as well as ensuring its performance in the field of high temperatures along with:

- повышением коэффициента полезного действия машины путем минимизации перетекания рабочей среды через уплотнение, а значит потери рабочего тела, за счет поддержания оптимального зазора между ротором и статором в процессе работы.- increasing the efficiency of the machine by minimizing the flow of the working medium through the seal, and therefore the loss of the working fluid, by maintaining the optimal clearance between the rotor and the stator during operation.

Поставленная задача решается тем, что в известном лабиринтном уплотнении, которое находится между соосно размещенными уплотняемой и уплотняющей деталями и образовано гребешками колец зигзагообразного сечения, установленных с зазором относительно уплотняемой детали и The problem is solved in that in the well-known labyrinth seal, which is located between the coaxially placed sealing and sealing parts and is formed by the combs of the zigzag section rings installed with a gap relative to the sealing part and

жестко взаимосвязанных с уплотняющей деталью произведены усовершенствования.rigidly interconnected with the sealing part, improvements were made.

Усовершенствование в первую очередь состоит в том, что упомянутые кольца выполнены каждое в виде ленты, зигзагообразной в окружном сеченииThe improvement primarily consists in the fact that the said rings are each made in the form of a tape zigzag in a circular section

Зигзагообразный в окружном сечении лабиринт ленты обеспечивает значительное увеличение зоны охвата уплотнительным кольцом места уплотнения, а, следовательно, повышает эффективность уплотнения.The labyrinth of the tape zigzag in the circumferential section provides a significant increase in the coverage area of the sealing place by the sealing ring, and, therefore, increases the efficiency of the seal.

Упомянутые кольца зигзагообразного сечения могут быть установлены каждое в отдельные кольцевые канавки, последовательно размещенные на уплотняющей детали и концентрично открытые в направлении уплотняемой детали. Это позволяет, в зависимости от технических требований, предъявляемых к объекту техники, оптимизировать утечки рабочего тела в местах уплотнений.Said zigzag section rings can each be mounted in separate annular grooves arranged successively on the sealing part and concentrically open in the direction of the sealing part. This allows, depending on the technical requirements for the object of technology, to optimize the leakage of the working fluid in the seal.

Упомянутый технический результат достигается более успешно, если любой плоский отрезок указанной ленты кольца будет расположен под углом, равным 10°...35° к плоскости, перпендикулярной продольной оси.The mentioned technical result is achieved more successfully if any flat segment of the indicated tape of the ring is located at an angle equal to 10 ° ... 35 ° to the plane perpendicular to the longitudinal axis.

При этом расстояние между упомянутыми лентами определяется равенством:Moreover, the distance between the mentioned tapes is determined by the equality:

с=(1,1...2,0)b, гдеc = (1,1 ... 2,0) b, where

с - упомянутое расстояние между лентами;c - the mentioned distance between the tapes;

b - расстояние между точками экстремума зигзага ленты.b is the distance between the extremum points of the zigzag ribbon.

Это, в свою очередь, позволяет исключить слипание соседних лент под нагрузкой.This, in turn, eliminates the adhesion of adjacent tapes under load.

Заявляемое технического решения поясняется чертежами, где на:The claimed technical solution is illustrated by drawings, where:

- фиг.1 представлено пространственное изображение заявляемого лабиринтного уплотнения;- figure 1 presents a spatial image of the inventive labyrinth seal;

- фиг.2 дано повернутое увеличенное сечение Е-Е фиг.1.- figure 2 is given a rotated enlarged section EE of figure 1.

- фиг.3 представлен вид Д фиг.1.- figure 3 presents a view D of figure 1.

Настоящее техническое решение реализуется следующим образом. Лента 1 (см. фиг.1, фиг.2), толщиной t (см. фиг.3), выполненная из металлического сплава, имеющая зигзагообразную форму, одним своим торцом 2 (см. фиг.2) жестко крепится в пазу 3 уплотняющей детали 4, образуя при этом гребешок 5. А вторым своим торцом образует вершину 6 гребешка 5. Между вершиной 6 гребешка 5 и ответной поверхностью 7 уплотняемой This technical solution is implemented as follows. Tape 1 (see figure 1, figure 2), thickness t (see figure 3), made of a metal alloy having a zigzag shape, with one of its ends 2 (see figure 2) is rigidly fixed in the groove 3 of the sealing details 4, thus forming a scallop 5. And with its second end face it forms the top 6 of the scallop 5. Between the top 6 of the scallop 5 and the counter surface 7 being sealed

детали 8 существует зазор а. Зазор а выбирается минимальным известным способом, исходя из условий изготовления и сборки уплотнения. Металлический сплав ленты 1 выбирается таким образом, чтобы его износостойкость была меньше износостойкости материала ответной поверхности 7 уплотняемой детали 8.details 8 there is a gap a. The gap a is selected by the minimum known method, based on the conditions of manufacture and assembly of the seal. The metal alloy of the tape 1 is selected so that its wear resistance is less than the wear resistance of the material of the counter surface 7 of the sealing part 8.

При этом расстояние между точками экстремума зигзага упомянутой ленты 1 составляет величину b (см. фиг.3), а прямые отрезки 9 зигзага ленты 1 находятся под углами α и β к плоскости Р, перпендикулярной продольной оси L. При погрешностях сборки углы α и β обычно не равны, однако это не влияет на достижение указанных технических результатов.In this case, the distance between the extremum points of the zigzag of the aforementioned tape 1 is b (see Fig. 3), and the straight segments 9 of the zigzag of the tape 1 are at angles α and β to the plane P perpendicular to the longitudinal axis L. With assembly errors, the angles α and β usually not equal, but this does not affect the achievement of these technical results.

Вторая такая лента 10, установленная аналогичным способом на расстоянии с от первой ленты 1, образует второй гребешок 11 (см. фиг.2) с вершиной 12 и т.д. Поверхности, образованные боковыми стенками 13 и 14 лабиринтных гребешков 5 и 11 соответственно в сочетании с ответной поверхностью 7 уплотняемой детали 8, образуют незамкнутую полость К, которая разделяет полости А и В, давления в которых отличны друг от друга, и ограничивает перетекание рабочей среды из одной полости в другую.The second such tape 10, installed in a similar manner at a distance c from the first tape 1, forms a second scallop 11 (see figure 2) with a vertex 12, etc. The surfaces formed by the side walls 13 and 14 of the labyrinth scallops 5 and 11, respectively, in combination with the counter surface 7 of the sealing part 8, form an open cavity K that separates the cavities A and B, the pressures of which are different from each other, and limits the flow of the working medium from one cavity to another.

Для достижения указанных технических результатов должны соблюдаться следующие условия:To achieve the specified technical results, the following conditions must be met:

1. α=10°...35°, β=10°...35°,1.α = 10 ° ... 35 °, β = 10 ° ... 35 °,

2. с=(1,1...2,0)b.2.c = (1,1 ... 2,0) b.

Таким образом, лабиринтное уплотнение, собранное согласно заявляемому техническому решению, во время работы будет ограничивать перетекание рабочей среды через зазор а известным способом, а вершины 6 и 12 гребешков 5 и 11 соответственно, имея меньшую износостойкость, чем износостойкость поверхности 7, будут истираться в случает контакта с последней, оставляя зазор а минимально возможным на всем протяжении работы машины.Thus, the labyrinth seal assembled according to the claimed technical solution during operation will limit the flow of the working medium through the gap a in a known manner, and the vertices 6 and 12 of the combs 5 and 11, respectively, having less wear resistance than the wear resistance of the surface 7, will be abraded contact with the latter, leaving a gap and the minimum possible for the entire duration of the machine.

Повышение надежности и долговечности заявляемой конструкции по сравнению с известными решениями обеспечивается тем, что в случае контакта вершин 6 и 12 гребешков 5 и 11 с ответной поверхностью 7 уплотняемой детали 8:Improving the reliability and durability of the claimed design in comparison with the known solutions is provided by the fact that in the case of contact of the peaks 6 and 12 of the scallops 5 and 11 with the counter surface 7 of the sealing part 8:

- вследствие отсутствия участков ленты, находящихся в плоскости Р (выполнение упомянутого условия 1), будет происходить трение по широкой поверхности 7 уплотняемой детали 8, что ведет к эффективному рассеиванию - due to the lack of tape sections located in the plane P (the fulfillment of the aforementioned condition 1), friction will occur on the wide surface 7 of the sealing part 8, which leads to effective dispersion

выделенного тепла и снижению температуры последней. Таким образом, деформация и износ будет происходить только в гребешках 5 и 11, находящихся в контакте с поверхностью 7 и имеющих более высокую температуру.heat generated and lower temperature last. Thus, deformation and wear will occur only in the combs 5 and 11, which are in contact with the surface 7 and having a higher temperature.

- исключается слипание гребешков 5 и 11 под нагрузкой (выполнение условия 2).- eliminates the adhesion of scallops 5 and 11 under load (condition 2).

Работоспособность заявляемого технического решения подтверждается положительными результатами его испытаний, которые приведены далее.The performance of the proposed technical solution is confirmed by the positive results of its tests, which are given below.

Пример 1.Example 1

Лабиринтное уплотнение, собранное согласно заявляемому техническому решению, было установлено на испытательной установке ГП «Ивченко-Прогресс», имитирующей условия работы уплотнения. Параметры уплотнения следующие:The labyrinth seal, assembled according to the claimed technical solution, was installed on the test facility of GP "Ivchenko-Progress", simulating the operating conditions of the seal. The sealing parameters are as follows:

- толщина ленты t - 0,2 мм;- tape thickness t - 0.2 mm;

- высота гребешка - 4 мм;- scallop height - 4 mm;

- ширина зигзага ленты b=1,2 мм;- the width of the zigzag tape b = 1.2 mm;

- угол α равен углу β и равен 12°;- the angle α is equal to the angle β and equal to 12 °;

- расстояние между гребешками (лентами) с=1,1b=1,3 мм;- the distance between the scallops (ribbons) with = 1,1b = 1,3 mm;

- материал гребешков (ленты) - 12Х18Н10Т;- material of scallops (tape) - 12X18H10T;

- материал уплотняемой детали - ХН77ТЮР;- material of the sealed part - ХН77ТЮР;

Условия работы:Working conditions:

- среда воздушная;- air environment;

- скорость вращения ротора - 200 м/сек;- rotor rotation speed - 200 m / s;

- исходный зазор а - 0,5 мм;- initial clearance a - 0.5 mm;

- температура рабочей среды 200°С;- temperature of the working medium 200 ° C;

После проведения испытаний были получены следующие результаты:After testing, the following results were obtained:

- износ лабиринтных гребешков в месте касания - 0,66 мм; износ диска по наружному диаметру 0,01 мм;- wear of labyrinth combs at the point of contact - 0.66 mm; disk wear on the outer diameter of 0.01 mm;

- трещин на гребешках и диске не обнаружено.- cracks on the combs and the disk were not found.

Пример 2.Example 2

Параметры уплотнения:Seal Parameters:

- толщина ленты t - 0,15 мм;- tape thickness t - 0.15 mm;

- высота гребешка - 4,5 мм;- scallop height - 4.5 mm;

- ширина зигзага ленты b=2,25 мм;- the width of the zigzag tape b = 2.25 mm;

- расстояние между гребешками (лентами) с=1,5b=1,3 мм;- the distance between the scallops (ribbons) with = 1,5b = 1,3 mm;

- материал гребешков (ленты) - ХН78Т;- material of scallops (tape) - ХН78Т;

Условия работы:Working conditions:

- среда воздушная;- air environment;

- скорость вращения ротора - 180 м/сек;- rotor rotation speed - 180 m / s;

- исходный зазор а - 0,4 мм;- the initial clearance a is 0.4 mm;

- температура рабочей среды 400°С;- temperature of the working medium 400 ° C;

- износ лабиринтных гребешков в месте касания - 0,68 мм; износ диска по наружному диаметру 0,01 мм;- wear of labyrinth combs at the point of contact - 0.68 mm; disk wear on the outer diameter of 0.01 mm;

Пример 3.Example 3

Параметры уплотнения:Seal Parameters:

- толщина ленты t - 0,25 мм;- tape thickness t - 0.25 mm;

- высота гребешка - 5 мм;- scallop height - 5 mm;

- ширина зигзага ленты b=5,75 мм;- the width of the zigzag tape b = 5.75 mm;

- угол α равен углу β и равен 30°;- the angle α is equal to the angle β and equal to 30 °;

- расстояние между гребешками (лентами) с=1,9b=11 мм;- the distance between the scallops (ribbons) with = 1,9b = 11 mm;

- материал уплотняемой детали - ХН62БМКТЮ;- material of the sealed part - ХН62БМКТЮ;

Условия работы:Working conditions:

- среда воздушная;- air environment;

- скорость вращения ротора - 300 м/сек;- rotor rotation speed - 300 m / s;

- исходный зазор а - 0,6 мм;- initial clearance a - 0.6 mm;

- температура рабочей среды 700°С;- temperature of the working medium 700 ° C;

- износ лабиринтных гребешков в месте касания - 0,67 мм; износ диска по наружному диаметру 0,02 мм;- wear of labyrinth combs at the point of contact - 0.67 mm; disk wear on the outer diameter of 0.02 mm;

- обнаружены незначительные трещины на гребешках, не влияющие на надежность конструкции.- slight crest cracks were found that do not affect the reliability of the structure.

Claims

1. The labyrinth seal between the coaxially placed sealing and sealing parts, formed by the combs of the rings of zigzag section installed with a gap relative to the sealing part and rigidly interconnected with the sealing part, characterized in that the said rings are each made in the form of a tape zigzag in the circumferential section.

2. The labyrinth seal according to claim 1, characterized in that the said zigzag section rings are each installed in separate annular grooves sequentially placed on the sealing part and concentrically open in the direction of the sealing part.

3. The labyrinth seal according to claim 2, characterized in that any straight segment of said tape is located at an angle to a plane perpendicular to the longitudinal axis equal to 10 ... 35 °.

4. The labyrinth seal according to claim 1, characterized in that the distance between the said tapes is determined by the equality:

c = (1,1 ... 2,0) b,

where c is the mentioned distance between the tapes;

b is the distance between the extremum points of the zigzag ribbon.