Постоянно пополняющееся разнообразие конструкций лабиринтовых уплотнений свидетельствует о трудностях в разрешении заключенного в этом узле противоречия между требованиями экономичности (обеспечения минимальной протечки) и надежности (уменьшения опасности и облегчения последствий задеваний вращающихся элементов о неподвижные). С возрастанием единичной мощности турбин выявилось еще одно отрицательное качество уплотнений с радиальными зазорами их расходная характеристика (рост протечки с увеличением зазора) благоприятствует появлению поперечных аэродинамических сил, способствующих низкочастотной вибрации роторов.
Авторами разработан и подробно исследован на плоской статической воздушной экспериментальной установке новый тип уплотнений 2, в котором упомянутые противоречия в известной степени разрешены ввиду его нечувствительности к взаимным смещениям ротора и статора Новое уплотнение имеет регулярно чередующиеся гребни ротора и статора высотой к со сквозным просветом а между кромками в отличие от известного уплотнения Келера [3], имеющего перекрыши. В новом уплотнении наименьшим расстоянием между элементами ротора и статора, определяющим величину протечки, является не радиальный зазор к + в между кромкой гребня и дном лабиринтовой камеры, а осевой зазор а, как и в уплотнении Келере
При осевом сдвиге ротора относительно статора половина из имеющихся осевых зазоров увеличивается, а другая половина уменьшается, благодаря чему протечка при этом практически не меняется, что подтверждено измерениями, показавшими даже некоторое ее уменьшение Случай совпадения кромок гребней ротора и статора (дающий, кстати, наименьшую протечку) здесь не рассматривается, гак как во избежание опасности задеваний осевой зазор в новом уплотнении выбирается больше вероятных взаимных смещений ротора и статора
Благодаря просвету новое уплотнение формально относится к прямоточным, но по зигзагообразному характеру течения, как установлено визуально на водяной модели, является скорее ступенчатым Поток в осевом сечении рассматриваемого уплотнения имеет вид двумерной затопленной струи, входящей в камеру под углом 180° к направлению выхода и не заполняющей всего сечения зазора. Различие давлений в соседних камерах обусловлено реактивной силой струи, что описывается уравнением импульсов.
В уплотнении Келера заходящие друг за гребни образуют каналы После сужения на выходе из предыдущего канала поток претерпевает внезапное расширение с частичным восстановлением давления и заполняет все сечение канал между соседними гребнями перед входом в очередной канал, Г; он поворачивается на 180°, претерпевая очередное сужение.
Выполненный анализ позволяет предполагать высокую эффективность нового типа уплотнений, в основе которой, как можно видеть из формулы, лежит чрезвычайно малая величина коэффициента сужения, обусловленная наличием поворота струи на 180° при небольшой степени гашения скорости в камере (чуть больше 30%) Толщина струн, стекающей с кромки гребня, составляет всего лишь около 16% от шага гребней, т ? между концами гребней имеет место струйная завеса, воспринимающая перепад давлений между соседними камерами, разделенными как бы струйными арками, обращенными выпуклостью в сторону более высокого давления.
На воздушной модели было исследовано 12 модификаций нового типа уплотнений, отличающихся высотой А и шагом / гребней при их толщине Д — 0,3 мм. В результате испытаний было установлено (рис. 2, а), что оптимальна квадратная форма камеры (А =22). Оптимальное значение просвета оказалось равным ПГ — о = 0,2, а минимальное значение коэффициента расхода при этом (рис. 2, б) практически совпало с полученным расчетным значением, что подтверждает правильность теоретических предпосылок.
Как видно из графика рис. 2, б, зона просветов, при которых сохраняется высокая эффективность (а0 = 0,22^-0,25), сравнительно широка (о = О-г-0,3).
На установке ЦКТИ получены также экспериментальные Данные, позволяющие сравнить эффективность нового типа уплотнений и обычных, наиболее широко распространенных ступенчатых и прямоточных уплотнений. На рис. 3 сравниваются уплотнение нового типа 1 и ступенчатое уплотнение с прямоугольными выступами 2, имеющие одинаковый осевой разбег с.
