Щеточное уплотнение

1 Изобретение относится к щеточному уплотнению согласно ограничительной части п.1 формулы изобретения. Такие щеточные уплотнения используют,например, в газовых турбинах для герметизации промежуточного пространства между корпусом и ротором, вращающимся с относительно высокой скоростью вращения, для предотвращения утечек. Обычно это осуществляется в присутствии находящегося под высоким давлением горячего газа. Поскольку в этих условиях простые резиновые уплотнения не обеспечивают удовлетворительное уплотнение, то разработаны многочисленные различные щеточные уплотнения. В таких щеточных уплотнениях концы щетины,собранной в плотный пакет, выступают за внутреннюю кромку внутреннего отверстия опорной пластины и тем самым уплотняют выполненное по возможности меньшим промежуточное пространство между внутренней кромкой опорной пластины и поверхностью ротора. Это промежуточное пространство всегда существует, поскольку размеры уплотнения, корпуса и ротора вследствие тепловых напряжений, соответственно, тепловых расширений или т.п. могут изменяться и поэтому по причинам безопасности должен оставаться минимальный зазор между опорной пластиной и ротором. Если на уплотнение воздействует большой перепад давления, то расположенная со стороны низкого давления опорная пластина удерживает щетину от прогибания в сторону низкого давления в направлении, параллельном оси ротора. Противодействовать прогибанию щетины необходимо, поскольку при прогибании уменьшается ее длина и тем самым открывается промежуточное пространство между внутренней кромкой опорной пластины и поверхностью ротора,что приводит к увеличению утечки. Однако нельзя избежать прогибания выступающей щетины. В последующем под осевым направлением будет подразумеваться направление, параллельное продольной оси ротора, а под радиальным направлением, соответственно, радиальной плоскостью - проходящее перпендикулярно этой продольной оси направление, соответственно, плоскость. В известном из ЕР 0 453 315 щеточном уплотнении вся опорная пластина является опорной поверхностью, к которой прилегает щетина вплоть до ее выступающих концов по всей ее остальной длине. Для улучшения уплотнительного эффекта на внутреннем крае внутреннего отверстия опорной пластины предусмотрен изнашиваемый слой материала для увеличения опорной поверхности и обеспечения опоры щетины как можно ближе к ее концам и одновременного уменьшения промежуточного пространства между опорной пластиной и ротором. Однако недостатком этого уплотнения является то, что, в частности, при наличии пере 001155 2 пада давлений щетина, при отклонении ротора,которое может возникнуть, например, вследствие тепловых напряжений, соответственно,расширений, отклоняется радиально наружу и остается в этом положении вследствие аэродинамических эффектов даже после возвращения ротора в центральное положение. За счет бокового смещения щетины открывается промежуточное пространство между опорной пластиной и ротором так, что значительно возрастает утечка. Известно, что при этом щетина прилипает к опорной пластине и только после полной разгрузки, т.е. при разнице давлений, равной примерно нулю, возвращается в первоначальное положение и снова закрывает, соответственно,уплотняет промежуточные пространства. Из WO-А-86/05252 известно щеточное уплотнение с множеством щетинок в держателе для уплотнения двух пространств с различным давлением, при котором щетинки для улучшения эффекта уплотнения отклоняются в сторону более высокого давления на угол от 5 до 45 с помощью регулирующих средств. При прилагаемом перепаде давления щетинки со стороны более высокого давления прижимаются к уплотняемой поверхности, что, с одной стороны,обеспечивает надежное уплотнение, однако, с другой стороны, приводит к значительному износу щетины. В DE 3907 614 А 1 раскрыто щеточное уплотнение, в котором щетинки закреплены в трубе с прорезью, которая зажата между двумя опорными кольцами, объединенными в один корпус, при этом внутренняя кромка расположенного на стороне высокого давления опорного кольца имеет большее расстояние до поверхности ротора, чем внутренняя кромка расположенного со стороны низкого давления опорного кольца. Особое выполнение расположенного со стороны низкого давления опорного кольца,согласованное со щетиной, а также положение щетины не описано. Из ЕР 0778431 А 1 известно щеточное уплотнение, в котором опорный элемент, расположенный между не опирающейся в радиальном направлении щетиной и стороной низкого давления, выполнен так, что между щетиной и опорным элементом имеется камера, в которую для повышения возвратной силы щетины подают текучую среду, давление которой больше,чем давление на стороне низкого давления. В ЕР 0617216 А 1 раскрыто устройство щеточного уплотнения с имеющей вырез опорной пластиной, к свободному конечному участку которой прилегает щетина под воздействием действующего на нее давления. Задача предлагаемого изобретения состоит в создании такого щеточного уплотнения, у которого при высоких перепадах давления и отклонениях ротора достигается хорошее уплотнение. 3 Решение задачи характеризуется согласно изобретению отличительными признаками п.1 формулы изобретения. Изобретение обеспечивает то преимущество, что щетина опирается на опорную пластину только своими концевыми участками, за счет чего значительно увеличивается их гибкость также при высоких разностных давлениях. Поскольку щетина в своих концевых участках,удаленных от места закрепления, имеет максимальную гибкость и к тому же в них проходящим воздухом утечки постоянно возбуждаются колебания, то щетина следует за движением ротора, т.е. при его боковом смещении она выдавливается наружу и непосредственно после возвращения ротора в центральное положение перемещается в свое исходное положение. Дополнительно к этому в промежуточном пространстве между щетиной и опорной пластиной за счет утечки воздуха образуется воздушная подушка, что уменьшает трение между щетиной и опорной пластиной и противодействует прилипанию к опорной пластине. Щетина наклонена относительно радиальной плоскости, т.е. проходящей радиально к продольной оси ротора плоскости, для достижения заданного прилегания конечных участков щетины к опорному участку. Щетина наклонена предпочтительно на угол около 6. В другом предпочтительном варианте выполнения опорная пластина проходит от зоны закрепления щетины на осевом расстоянии от щетины и имеет смежно с внутренней кромкой внутреннего отверстия опорной пластины наклоненную к щетине зону, на внутренней боковой поверхности которой выполнен опорный участок, на который опираются конечные участки щетины. Предпочтительно, чтобы длина опирающихся на опорный участок концевых участков щетины составляла максимально одну четверть от ее полной длины, поскольку щетина на этих концевых участках, удаленных от зоны закрепления, имеет максимальную гибкость так, что здесь щетина, несмотря на прилегание к опорному участку, после отклонения тотчас пружинит снова в свое исходное положение. Кроме того, предпочтительно, чтобы внутренняя кромка передней пластины имела большее расстояние до поверхности ротора, чем внутренняя кромка опорной пластины. Хотя между внутренней кромкой передней пластины и поверхностью ротора имеется только небольшое промежуточное пространство, однако, допустимы большие допуски при изготовлении. За счет этого минимизируется так называемый эффект прижимания и не возникает большого износа щетины. Дополнительно к этому, щетина защищена от повреждений при монтаже/демонтаже, а также от повреждений за счет завихрений воздуха. 4 Щетина зажата, предпочтительно с одной стороны, между передней пластиной и опорной пластиной так, что ее можно простым образом удерживать между передней и опорной пластиной с различными углами установки, соответственно, наклона к радиальной плоскости. Целесообразно в зоне зажатия расположить между щетиной и передней пластиной, а также опорной пластиной зажимной элемент, в котором зажимается пакет щетин, обернутый вокруг металлического сердечника. Другие предпочтительные варианты выполнения изобретения описаны в зависимых пунктах формулы изобретения. Ниже изобретение поясняется подробно со ссылкой на чертеж, на котором схематически показано поперечное сечение примера выполнения щеточного уплотнения согласно изобретению. На чертеже показано обозначенное в целом позицией 1 щеточное уплотнение, закрепленное в корпусе 2. Через отверстие 3 в корпусе 2 проходит ротор 4, поверхность которого обозначена позицией 5, а его продольная ось - позицией 6. Щеточное уплотнение 1 содержит в основном переднюю пластину 7, опорную пластину 8 и множество плотно установленных щетинок 9, которые прочно зажаты между передней пластиной 7 и опорной пластиной 8 в месте 10. При приложении к щеточному уплотнению разности давлений передняя пластина 7 расположена на стороне высокого давления, а опорная пластина 8 - на стороне низкого давления. Зажатые с одной стороны щетинки 9 проходят между передней пластиной 7 и опорной пластиной 8 и выступают своими свободными,удаленными от места 10 зажатия концами 11 за внутренние кромки 12, соответственно, 13 передней пластины 7 и опорной пластины 8. Щетинки 9 касаются своими концами 11 поверхности 5 ротора 4 и тем самым уплотняют промежуточное пространство 14 между внутренней кромкой 12 опорной пластины 8 и поверхностью 5 ротора 4. Передняя пластина 7 и опорная пластина 8 имеют внутреннее отверстие, проходящее соосно продольной оси 6 ротора 4, так что их внутренние кромки 12, соответственно, 13 находятся на расстоянии от поверхности 5 ротора 4. Внутренняя кромка 12 передней пластины 7 также имеет относительно небольшой зазор к поверхности 6 ротора. За счет этого щетинки 9, которые могут состоять из различных материалов,известных специалистам, защищены от повреждений во время монтажа/демонтажа, а также от завихрений воздуха во время работы. В данном примере выполнения опорная пластина 8 имеет проходящий в радиальной плоскости к оси 6 ротора первый участок 15,наружная поверхность 16 которого для установки с точной посадкой щеточного уплотнения 1 в корпусе 2 проходит параллельно наружной по 5 верхности 17 передней пластины 7. Кроме того,передняя пластина 7 и опорная пластина 8 имеют отогнутый внутрь под прямым углом участок, который, однако, в данном случае не имеет значения и указан только для полноты описания. Смежная с внутренней кромкой 13 опорной пластины 8 зона 18 опорной пластины 8 наклонена в сторону щетинок 9, при этом на ее внутренней стороне 19 выполнена опорная поверхность 20, на которую опираются щетинки 9 своими концевыми участками 21. Как показано в месте 10 зажима, щетинки 9, соответственно,пакет щетинок обернуты вокруг металлического сердечника 25 и зажаты с помощью выполненного в виде трубы с прорезью зажимного элемента 24, который в поперечном сечении имеет форму разомкнутого кольца (С-образная труба). В этом примере выполнения щетинки 9 по отношению к радиальной плоскости (22) наклонены в сторону опорной пластины 8. Угол наклона составляет около 6. Таким образом обеспечивается заданное прилегание концевых участков 21 щетинок 9 к опорной поверхности 20 опорной пластины 8. Однако эта мера не является обязательной, поскольку концевые участки 21 могут прижиматься к опорной поверхности 20 только за счет разности давлений. Таким образом, при очень большом перепаде давлений можно уменьшить давление прижимания щетинок 9 к опорному участку 20. Радиальная длина 1 опорной поверхности 20 опорной пластины 8 составляет около одной пятой свободной (полной) длины L щетинок 9 так, что щетинки 9 на большей части их длиныL проходят на расстоянии от внутренней поверхности 19 опорной пластины 8 с образованием промежуточного пространства 23. Поскольку щетинки 9 на своих удаленных от места 10 зажима концевых участках 21 являются наиболее гибкими и, кроме того, за счет проходящего в промежуточное пространство 23 воздуха в них возбуждаются колебания, то при отклонении ротора 4 от его центрального положения щетинки 9 отклоняются в сторону, однако при устранении причины, приводящей к отклонению ротора 4, например, тепловых напряжений, возвращаются непосредственно с ротором в свое первоначальное положение. Кроме того, за счет образующейся в промежуточном пространстве 23 воздушной подушки уменьшается трение между концевыми участками 21 щетинок 9 и опорным участком 20 опорной пластины 8. На основании этого обеспечивается хороший уплотнительный эффект щеточного уплотнения 1 также при воздействии разности давлений и отклонениях ротора 4 так, что не происходит значительного увеличения утечки. 6 ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Щеточное уплотнение для герметизации ротора относительно корпуса с отверстием, через которое проходит ротор, содержащее переднюю пластину (7) и опорную пластину (8), которые закреплены в корпусе (2) и между которыми удерживается множество щетинок (9) так,что они своими свободными концами выступают за внутреннюю кромку (13) опорной пластины (8) и касаются поверхности (5) ротора (4),причем внутренняя кромка (13) опорной пластины (8) имеет небольшое расстояние до поверхности (5) ротора и опорная пластина (8) подпирает изгибом щетинки (9) и выполнена так, что щетинки (9) своими концевыми участками (21) опираются на опорный участок (20) опорной пластины (8) и по своей остальной длине (L-l) проходят на расстоянии от опорной пластины (8), отличающееся тем, что внутренняя кромка (12) передней пластины (7) имеет небольшое расстояние до поверхности (5) ротора (4) и что щетинки (9) для заданного прилегания к опорному участку (20) в месте (10) зажима наклонены относительно радиальной плоскости(22) в сторону расположенной на стороне низкого давления опорной пластины (8). 2. Уплотнение по п.1, отличающееся тем,что опорная пластина (8) проходит на осевом расстоянии от щетинок (9) и смежно с внутренней кромкой (13) внутреннего отверстия в опорной пластине (8) имеет наклонную к щетинкам (9) зону (18), на внутренней боковой поверхности (19) которой образован опорный участок (20), на который опираются концевые участки (21) щетинок (9). 3. Уплотнение по п.1 или 2, отличающееся тем,что щетинки (9) наклонены под углом около 6. 4. Уплотнение по любому из пп.1-3, отличающееся тем, что длина (l) опирающихся на опорный участок (20) концевых участков (21) щетинок (9) составляет максимально одну четверть их полной длины (L). 5. Уплотнение по п.4, отличающееся тем,что длина (l) составляет около 2 мм. 6. Уплотнение по любому из пп.1-5, отличающееся тем, что внутренняя кромка (12) передней пластины (7) имеет большее расстояние до поверхности (5) ротора (4), чем внутренняя кромка (13) опорной пластины (8). 7. Уплотнение по любому из пп.1-6, отличающееся тем, что щетинки (9) своими концами, удаленными от свободных концов (11), зажаты между передней пластиной (7) и опорной пластиной (8). 8. Уплотнение по п.7, отличающееся тем,что в зоне (10) зажима между щетинками (9) и передней пластиной (7), а также опорной пластиной (8) расположен зажимной элемент (24). 9. Уплотнение по п.8, отличающееся тем,что зажимной элемент (24) представляет собой трубу, снабженную прорезью.