Скидка на подшипники из наличия!
Новое поступление товара в 2026 году!
Лабиринтное уплотнение — бесконтактное уплотнение вращающихся валов и неподвижных корпусов, в котором уплотняющее действие создаётся не контактом сопрягаемых поверхностей, а гидравлическим сопротивлением многократно повторяющихся узких кольцевых щелей и расширительных камер. Между ротором и статором поток рабочей среды проходит через систему чередующихся гребней и полостей, последовательно теряя давление за счёт дросселирования и вихреобразования. Лабиринтные уплотнения применяются там, где контактные уплотнения недопустимы по условиям окружной скорости, температуры или химической агрессивности среды: в паровых и газовых турбинах, авиационных и стационарных газотурбинных двигателях, центробежных компрессорах и нагнетателях, питательных и циркуляционных насосах, а также для защиты подшипниковых узлов общепромышленного оборудования.
Уплотняющий эффект лабиринтного уплотнения основан на многократном дросселировании рабочей среды в чередующихся узких щелях и расширительных камерах. В каждой узкой щели между гребнем ротора (или статора) и сопряжённой поверхностью статический напор частично преобразуется в скоростной; при последующем выходе в более широкую камеру скорость потока резко снижается, среда завихряется, и часть кинетической энергии диссипирует, не восстанавливая исходного давления. Перепад давления в уплотнении делится между гребнями, и расход утечки оказывается тем меньше, чем больше число последовательно работающих гребней при одинаковом суммарном перепаде.
Между ротором и статором при работе лабиринтного уплотнения отсутствует механический контакт: износ не возникает, окружная скорость и температура среды формально не ограничены прочностью трущейся пары.
В отличие от контактных уплотнений (манжеты, сальниковые набивки, торцевые уплотнения), которые опираются на упругий или жидкостной контакт между подвижным и неподвижным элементом, лабиринтное уплотнение не обеспечивает полной герметичности: через него всегда сохраняется некоторая утечка. Задача проектирования — снизить эту утечку до приемлемого уровня при сохранении надёжности и допустимых габаритов уплотняющего узла.
Базовая конструкция лабиринтного уплотнения включает ротор (вал или насадная втулка) и статор (корпус или вкладыш), на одном или обоих из которых выполнены кольцевые гребни. Промежутки между гребнями образуют расширительные камеры, в которых поток теряет кинетическую энергию. Геометрия гребня, шаг между гребнями, радиальный зазор и количество ступеней определяют гидравлическое сопротивление уплотнения и величину утечки.
Точные значения радиального зазора, шага гребней и числа ступеней определяются для конкретного типоразмера уплотнения по расчёту утечки и условиям прочности и приводятся в нормативно-методической документации (например, в РТМ 108.020.33-86 для лабиринтных уплотнений турбин и компрессоров). Для подшипниковых узлов общего машиностроения геометрия лабиринта согласуется с типом подшипника и принятым исполнением крышки подшипникового узла.
Уменьшение радиального зазора ниже допустимого приводит к касанию гребней о вал на пусковых режимах или при тепловых деформациях ротора. Касание выводит уплотнение из строя, может вызвать локальный задир вала и в худшем случае — поломку гребней с попаданием обломков в проточную часть.
Существует несколько устоявшихся классификаций лабиринтных уплотнений — по геометрии лабиринта, расположению гребней, направлению потока и характеру защиты. Конкретное исполнение выбирается из условий рабочей среды, окружной скорости, требуемой степени герметичности и ремонтопригодности.
В порядке возрастания уплотняющей эффективности при одинаковой длине уплотнения и минимальном зазоре выделяют:
По стороне установки гребней различают лабиринты с гребнями на роторе, на статоре или комбинированные (на обоих элементах). Размещение на статоре облегчает замену изношенных гребней при ремонте; размещение на роторе используется в гладких корпусах и упрощает обработку.
Для уплотнений подшипниковых узлов, защищающих подшипник от внешней среды и от выноса смазки, используется деление:
По числу ступеней различают одноступенчатые и многоступенчатые лабиринты; последние используются при высоких перепадах давления и в особо ответственных применениях.
В подшипниковых узлах общепромышленного оборудования лабиринтные уплотнения решают две взаимосвязанные задачи: удержание смазочного материала в подшипниковой камере и защита подшипника от попадания пыли, абразивных частиц, влаги и агрессивных сред. Бесконтактная природа уплотнения исключает износ сопрягаемых поверхностей и связанные с ним потери на трение, что особенно важно в высокоскоростных и непрерывно работающих машинах.
Извилистый путь, образованный последовательными щелями и камерами, создаёт высокое гидравлическое сопротивление для пыли и капельной влаги, движущихся снаружи к подшипнику. Под действием центробежных сил и собственной инерции частицы загрязнений выбрасываются обратно из камер уплотнения через дренажные отверстия или выводятся в окружающую среду до того, как достигнут подшипниковой полости. Аналогично, смазочный материал в виде масляного тумана или брызг, выходящий из подшипника наружу, задерживается на гребнях и стекает обратно через нижние дренажные каналы.
Для подшипников электрических машин, насосов, вентиляторов и редукторов применяются унифицированные лабиринтные уплотнения, выполняемые либо отдельным разъёмным узлом, встраиваемым в крышку подшипника, либо непосредственно в крышке. Распространены конструкции с двумя сопрягаемыми полукольцами: одно неподвижно установлено в корпусе, второе вращается вместе с валом; между кольцами образуется лабиринтная щель.
Для тяжёлых условий применяются комбинированные уплотнения: лабиринтный элемент сочетается с маслоотбойным кольцом, фетровой набивкой или контактной кромкой (резиновой манжетой). Контактный элемент обеспечивает герметичность на статических режимах, а на рабочих оборотах основная защита переходит к бесконтактной лабиринтной части — это позволяет получить высокую герметичность без неприемлемых потерь на трение.
Лабиринтное уплотнение подшипникового узла не ограничивает допустимую частоту вращения вала и не вносит дополнительных потерь на трение, что критично для высокоскоростных и энергоёмких машин.
Точный аналитический расчёт расхода через лабиринтное уплотнение затруднён из-за сложного характера течения с многократным дросселированием, завихрениями и неполным восстановлением давления. В инженерной практике применяется приближённая формула А. Стодолы, выведенная для случая адиабатного истечения через систему последовательных идентичных дросселей при докритическом перепаде давления:
Формула предполагает равномерную разбивку полного перепада давления по гребням и усреднение плотности рабочей среды; уплотнение в ней представляется последовательностью идентичных дросселей. Это упрощение оправдано для оценочных расчётов; для прецизионных расчётов используют поправочные коэффициенты, учитывающие реальную геометрию камер, форму и наклон гребней, а также режим течения. При перепаде давления, обеспечивающем критическое истечение в первой щели, применяется отдельная формула, учитывающая запирание потока.
Для турбинных лабиринтных уплотнений отраслевая методика проектирования и расчёта протечек установлена руководящим техническим материалом РТМ 108.020.33-86 «Уплотнения лабиринтные стационарных паровых и газовых турбин и компрессоров. Проектирование и расчёт», заменившим ранее действовавший РТМ 24.020.33-75. Документ распространяется на концевые и диафрагменные лабиринтные уплотнения, уплотнения лопаточного аппарата, а в части расчёта протечек — на щелевые уплотнения штоков клапанов.
p0 = 1,0 МПа
pz = 0,1 МПа
v0 = 0,1 м3/кг
F = 1 · 10−4 м2
z = 10
μ = 0,7
G ≈ 0,066 кг/с
Лабиринтные уплотнения исторически были введены в конструкцию паровой турбины и до сих пор остаются основным типом уплотнения вала в турбомашинах. Сферы практического применения:
Проектирование лабиринтного уплотнения сводится к выбору геометрии и расчёту утечки в режимных условиях с проверкой на касание ротора при пусковых и переходных режимах. Эксплуатация требует контроля состояния гребней и зазоров при плановых ремонтах.
Лабиринтное уплотнение не является источником герметичности само по себе и не должно использоваться в системах, где недопустима даже минимальная утечка рабочей среды. Для таких применений лабиринтное уплотнение работает в составе многоступенчатого уплотнительного узла совместно с контактными или жидкостными концевыми уплотнениями.
Лабиринтное уплотнение — бесконтактное уплотнение вращающегося вала с системой кольцевых гребней и расширительных камер, образующих извилистый путь для рабочей среды. При прохождении через узкие щели у гребней поток ускоряется, в камерах между гребнями скорость падает, поток завихряется и часть энергии диссипирует. В результате расход утечки через уплотнение значительно снижается. Между ротором и статором отсутствует механический контакт, нет износа и потерь на трение.
Манжета — контактное уплотнение, в котором эластичная рабочая кромка прижимается к валу пружиной и физически перекрывает зазор. Лабиринтное уплотнение — бесконтактное; оно использует гидравлическое сопротивление многократно повторяющихся щелей и камер. Манжета обеспечивает практически полную герметичность, но имеет ограниченный ресурс, ограничения по окружной скорости, температуре и характеру среды. Лабиринтное уплотнение работает без износа и при значительно более высоких скоростях и температурах, но всегда пропускает некоторую утечку.
По геометрии — гладкая щель, прямоточный лабиринт, ступенчатый (камерный) лабиринт, лабиринт с наклонными гребнями, лабиринт с сотовой вставкой. По расположению гребней — с гребнями на роторе, на статоре или с обеих сторон. По направлению защиты в подшипниковых узлах — осевые, радиальные и комбинированные. По числу ступеней — одно- и многоступенчатые. Выбор исполнения определяется условиями рабочей среды, допустимой утечкой, требуемой ремонтопригодностью и габаритами узла.
В паровых и газовых турбинах (уплотнения вала, межступенчатые, надбандажные), в авиационных газотурбинных двигателях, в центробежных компрессорах и нагнетателях природного газа, в турбодетандерах, в высокоскоростных шпинделях станков, в крупных электрических машинах для защиты подшипниковых щитов, в насосах, вентиляторах и редукторах общепромышленного назначения для защиты подшипников от загрязнений и удержания смазки.
Извилистый путь из узких щелей и камер создаёт высокое гидравлическое сопротивление для пыли, абразивных частиц и капельной влаги, движущихся снаружи к подшипниковой полости. Под действием центробежных сил частицы выбрасываются из камер лабиринта обратно через дренажные каналы. Одновременно лабиринт задерживает выход масляного тумана и брызг смазки из подшипниковой камеры наружу. Бесконтактная природа уплотнения не вносит потерь на трение и не ограничивает частоту вращения вала.
Радиальный зазор назначается минимально допустимым по условиям гарантированного отсутствия касания гребней о вал в любом эксплуатационном режиме. Он складывается из радиального зазора подшипников, отклонений соосности и формы посадочных поверхностей, теплового расширения ротора и упругого прогиба вала на расчётном режиме. Конкретные значения зависят от типоразмера уплотнения, типа машины и режимных параметров и определяются по проектной документации и методикам отраслевой нормативно-методической документации (например, РТМ 108.020.33-86 для турбин и компрессоров).
В инженерной практике расход утечки оценивается по приближённой формуле А. Стодолы для последовательного дросселирования через z гребней с поправочными коэффициентами, учитывающими тип и геометрию уплотнения. При перепаде давления, обеспечивающем критическое истечение в первой щели, применяется отдельная формула для запертого потока. Для турбинных уплотнений отраслевой расчётный аппарат собран в РТМ 108.020.33-86. Точные значения уточняются экспериментально или по результатам стендовых испытаний.
Между гребнем и сопряжённой поверхностью всегда остаётся радиальный зазор, без которого работа уплотнения невозможна (касание привело бы к задиру и поломке). Через этот зазор постоянно проходит некоторый поток рабочей среды; лабиринт только многократно дросселирует его и снижает до приемлемого уровня. Поэтому в системах с требованием абсолютной герметичности лабиринтное уплотнение применяется только в составе многоступенчатого уплотнительного узла совместно с контактными или жидкостными концевыми уплотнениями.
В турбомашинах гребни выполняются из жаропрочных и коррозионно-стойких сталей и сплавов, способных работать при температурах рабочей среды без эрозии, окисления и потери остроты кромки. Для сотовых вставок применяются тонкие ленты из жаропрочных сплавов. В лабиринтных уплотнениях подшипниковых узлов общего машиностроения используются конструкционные стали, латуни, бронзы и алюминиевые сплавы, выбираемые по совместимости с уплотняемой средой и условиям эксплуатации.
Вы можете задать любой вопрос на тему нашей продукции или работы нашего сайта.