УЗЕЛ НЕСУЩЕГО ЭЛЕМЕНТА ЩЕТОЧНОГО УПЛОТНЕНИЯ И УПЛОТНИТЕЛЬНЫЙ УЗЕЛ ДЛЯ ТУРБИННОЙ УСТАНОВКИ
BEARING ELEMENT UNIT FOR BRUSH SEALING AND SEALING UNIT FOR TURBINE INSTALLATION

Данное изобретение является частичным продолжением находящейся на рассмотрении заявки №11/282703, которая подана 21 ноября 2005 года и содержание которой полностью включено в данный документ посредством ссылки.
ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Данное изобретение, в целом, относится к динамическим уплотнениям, используемым в турбостроении.
В паровых турбинах, турбинах для летательных аппаратов и промышленных газовых турбинах широко применяются уплотнения лабиринтного типа и щеточные уплотнения для создания динамических уплотнений между вращающимися и неподвижными компонентами турбины, например между ротором и внутренней перегородкой диафрагмы паровой турбины. Обычное лабиринтное уплотнение содержит ряд (жестких) зубцов, которые проходят радиально внутрь от периферии неподвижного компонента к вращающемуся компоненту, но без вхождения с ним в контакт, образуя тем самым ряд частичных барьеров, которые создают извилистый осевой проточный тракт непосредственно вблизи поверхности вращающегося компонента.
Щеточные уплотнения обычно содержат металлические щетинки, которые подобно зубцам лабиринтного уплотнения, проходят радиально внутрь от периферии неподвижного компонента к вращающемуся компоненту. В отличие от лабиринтных уплотнений, щеточные уплотнения обычно предназначены для обеспечения фрикционного контакта со смежной периферической поверхностью вращающегося компонента с созданием по существу постоянного барьера для потока, проходящего по периферии вращающегося компонента. В связи с этим, щеточные уплотнения обеспечивают более эффективное препятствие для потерь от вторичных потоков, т.е. обеспечивают более высокие уплотнительные характеристики по сравнению с лабиринтными уплотнениями и, соответственно, обладают потенциалом для существенного улучшения показателей.
Роторы турбин летательных аппаратов и промышленных газовых турбин являются сравнительно жесткими, и, как результат, фрикционный контакт с щеточным уплотнением, в целом, не влияет на их динамические характеристики. В противоположность этому, ротор паровой турбины обычно содержит непрерывный сплошной вал, к которому прикреплены лопатки. Паровые турбины импульсного типа обычно работают при частоте вращения, превышающей первую критическую частоту изгибных колебаний ротора, и часто около второй критической частоты изгибных колебаний ротора. Было установлено, что фрикционный контакт между щеточным уплотнением и ротором паровой турбины может увеличивать вибрацию ротора в промежутке от первой до второй критических частот вращения ротора, что, в результате, приводит к неприемлемому радиальному перемещению ротора. Считается, что указанный эффект, вероятно, частично возникает в том случае, когда ротор изгибается в результате воздействия тепловых, динамических или производственных условий. Более конкретно, трение, возникающее от указанного фрикционного контакта, локально повышает поверхностную температуру ротора, что приводит к неравномерности поверхностной температуры по периферии ротора. Поскольку при этом способе выступающие участки изогнутого ротора частично предрасположены к такому нагреванию от более интенсивного фрикционного контакта, то локальный нагрев, создаваемый щеточными уплотнениями, может дополнительно вызывать искривление ротора в результате неравномерного теплового расширения периферии ротора, усугубляя тем самым проблемы, связанные с вибрацией и динамическим поведением ротора.
В принадлежащем одному и тому же правообладателю патенте США №6821086, описание которого включено в данный документ посредством ссылки, приведено описание уплотнительного узла и способа его выполнения, которые могут значительно уменьшить проблемы, связанные с вибрацией и динамическим поведением ротора, которые возникают в турбомашинах, например в паровых турбинах, в результате локального нагрева, создаваемого уплотнениями, находящимися во фрикционном контакте с вращающейся частью турбинной установки.
Конструкция, приведенная в указанном патенте США, является приемлемой для случая, когда требуется множество жестких зубцов и когда имеется достаточно места для большого несущего элемента жестких зубцов, выполненного с соединением типа “ласточкин хвост”. Однако для случаев, когда требуется незначительное количество зубцов и имеется мало места, конфигурация с большим несущим элементом зубцов и несущим элементом щеточного уплотнения, приведенная в указанном патенте, могут не работать. Поэтому желательно иметь конструкцию с меньшими размерами.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Как отмечено выше, существующие несущие элементы щеточных уплотнений занимают много места, требуя такого объема материала, который необходим для удержания несущих элементов на месте, и ограничивая место возможной установки уплотнений. Кроме того, как отмечено выше, некоторые жесткие зубцы фактически обрабатываются на самом сопловом аппарате, так что если уплотнение изнашивается, то оно не может быть заменено.
Данным изобретением предлагается снижение объема материала, необходимого для создания уплотнительного узла, с одновременным обеспечением возможности замены, при необходимости, всех уплотнительных устройств без какой-либо обработки или модификации сопла.
В примерном варианте выполнения данного изобретения предлагается несущий элемент щеточного уплотнения, который уменьшает опорную поверхность узла щеточного уплотнения и его несущего элемента, и при этом имеется встроенное в несущий элемент уплотнение в виде жесткого зубца в качестве вторичного/дублирующего/резервного уплотнения. Выполнение уплотнения в виде жесткого зубца за одно целое с несущим элементом предусматривает его легкую замену, в то время как маленькая опорная поверхность обеспечивает возможность установки щеточного уплотнения в небольших по размеру местах. Выполнение объединенной конструкции с жесткими зубцами также обеспечивает возможность выполнения жесткого зубца с минимальной опорной конструкцией, а, кроме того, обеспечивает возможность замены этого зубца в случае его износа.
Таким образом, в данном изобретении предложен узел несущего элемента щеточного уплотнения, содержащий гибкий щеточный уплотнительный компонент, расположенный между задней пластиной и передней пластиной, так что радиальная внутренняя часть гибкого щеточного уплотнительного компонента выступает радиально за пределы задней пластины, и по меньшей мере один уплотнительный элемент в виде жесткого зубца, выполненный за одно целое с передней пластиной с обеспечением его прохождения по существу параллельно указанному гибкому щеточному уплотнительному компоненту и проходящий радиально за пределы задней пластины, но не доходя в радиальном направлении до указанного гибкого щеточного уплотнительного компонента, при этом указанный по меньшей мере один уплотнительный элемент в виде жесткого зубца расположен в осевом направлении от гибкого щеточного уплотнительного компонента на расстоянии, которое по меньшей мере в три раза больше ширины указанного компонента.
Кроме того, в данном изобретении предложен уплотнительный узел для турбинной установки, содержащей ротор, установленный с возможностью вращения вокруг оси, и неподвижный сопловой аппарат, окружающий ротор, причем ротор имеет уплотнительную поверхность, а неподвижный сопловой аппарат имеет обращенную в радиальном направлении часть, расположенную напротив указанной уплотнительной поверхности, причем указанный уплотнительный узел содержит несущий элемент уплотнения, удерживаемый в указанной обращенной в радиальном направлении части неподвижного соплового аппарата и содержащий заднюю пластину, пластину с уплотнением в виде жесткого зубца и гибкий уплотнительный компонент, расположенный между указанными пластинами и выполненный с обеспечением фрикционного контакта с указанной уплотнительной поверхностью, при этом за одно целое с указанной пластиной с уплотнением в виде жесткого зубца выполнен по меньшей мере один уплотнительный элемент в виде жесткого зубца, выступающий в радиальном направлении к указанной уплотнительной поверхности, но не доходящий до нее, причем уплотнительный элемент в виде жесткого зубца расположен в осевом направлении от гибкого уплотнительного компонента на расстоянии, равном по меньшей мере трехкратному размеру ширины указанного гибкого уплотнительного компонента.
Данное изобретение дополнительно может предложить способ уплотнения вращающейся части турбинной установки относительно неподвижной части, окружающей вращающуюся часть, которая имеет наружную периферическую уплотнительную поверхность, при этом способ включает (a) использование первого гибкого уплотнительного компонента и второго жесткого уплотнительного элемента на проходящей радиально внутрь зоне неподвижной части, причем часть первого гибкого уплотнительного компонента находится во фрикционном контакте с уплотнительной поверхностью вращающейся части, при этом второй жесткий уплотнительный элемент выполнен за одно целое с несущим элементом первого гибкого уплотнения, но на расстоянии в радиальном направлении от уплотнительной поверхности, и (b) расположение второго жесткого уплотнительного элемента перед первым гибким уплотнительным компонентом в осевом направлении на расстоянии, по меньшей мере в три раза превышающем ширину первого гибкого уплотнительного компонента.
Данное изобретение будет более понятно и оценено при внимательном изучении последующего более подробного описания предпочтительных иллюстративных вариантов выполнения данного изобретения, рассмотренного совместно с приведенными ниже сопроводительными чертежами.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Фиг.1 представляет иллюстративный вид части продольного разреза зоны уплотнения диафрагмы паровой турбины, выполненной с известным уплотнительным узлом;
фиг.2 является схематическим представлением другого известного уплотнительного узла;
фиг.3 является схематическим представлением уплотнительного узла в соответствии с иллюстративным вариантом выполнения изобретения.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
На фиг.1 показана зона уплотнения диафрагмы паровой турбины, выполненной с уплотнительным узлом в соответствии с патентом США №6821086. Данная паровая турбина содержит ротор 10, на котором выполнены или установлены разнесенные в осевом направлении колеса 12, к которым прикреплены лопатки 14. Ротор 10, колеса 12 и лопатки 14 совершают вращение вокруг оси ротора и, соответственно, образуют часть вращающегося компонента турбины. Внутреннее кольцо (перегородка) 16 диафрагмы (соплового аппарата) проходит радиально внутрь между колесами 12 с образованием отдельных ступеней турбины. Корпус 18 окружает ротор 10 и вместе с внутренним кольцом 16 соплового аппарата поддерживает сопловую лопатку 20. Кольцо 16, лопатка 20 и корпус 18 вместе образуют часть неподвижного компонента турбины, расположенную в плоскости, проходящей по нормали к оси ротора, и окружающую наружную периферическую часть ротора 10. Пар проходит в осевом направлении через лопатки 14 и лопатки 20 соплового аппарата, как показано стрелкой на фиг.1.
Турбина, изображенная на фиг.1, выполнена с лабиринтными уплотнениями 22, 24 и 26. Лабиринтные уплотнения 22 и 24 прикреплены к сегменту 30 уплотнительного кольца или несущему элементу 28 жестких зубцов, а лабиринтное уплотнение 26 прикреплено к сегменту 30 уплотнительного кольца. Обычно каждый сегмент 28, 30 является одним из множества дугообразных сегментов, которые прикреплены по периферии, соответственно, к внутреннему кольцу 16 соплового аппарата или к корпусу 18. Лабиринтные уплотнения 22, 24 и 26 уменьшают потери от вторичных потоков, проходящих между вращающимся и неподвижным компонентами, более конкретно, между ротором 10 и внутренним кольцом 16 соплового аппарата, а также между лопатками 14 и корпусом 18. Несмотря на эффективность данной конструкции, следует понимать, что лабиринтные уплотнения 22, 24 и 26 не могут уменьшать потери от вторичных потоков до такой степени, которая возможна при щеточных уплотнениях, вследствие наличия зазора между жесткими зубцами 32, 33 соответствующих лабиринтных уплотнений и противоположными уплотняемыми ими поверхностями. Таким образом, в соответствии с указанным патентом США, сегмент уплотнительного кольца или несущий элемент 28, прикрепленный к внутреннему кольцу 16 соплового аппарата, дополнительно содержит щеточное уплотнение 34, расположенное по оси между рядами лабиринтных уплотнений 22 и 24. Соответственно, лабиринтные уплотнения 22 и 24 служат в качестве резервных уплотнений для щеточного уплотнения 34. В противоположность уплотнениям 22 и 24, щеточное уплотнение 34 приспособлено для обеспечения постоянного контакта с поверхностью, для уплотнения которой оно предназначено, создавая тем самым лучшее уплотнение, чем то, которое возможно при лабиринтных уплотнениях 22 и 24. Обычно щеточное уплотнение 34 выполнено со щетинками 36, а, как было отмечено выше, лабиринтные уплотнения 22 и 24 выполнены с жесткими зубцами 32, которые проходят радиально к ротору 10.
Как известно, фрикционный контакт, который возникает между щеточным уплотнением 34 и ротором 10, неизбежно создает обусловленный трением нагрев. В указанном патенте показано, что лучшее распределение и рассеивание тепла достигается путем использования приподнятой секции 38, которая расположена на роторе и проходит радиально в наружном направлении за смежными по оси поверхностными участками 40, ограничивая платформу 42. Приподнятая секция 38 ограничивает полость 44, которая полностью изолирована, так что она содержит, например, только воздух, который оказался там во время ее выполнения.
В другой известной конструкции, которая изображена на фиг.2, жесткий уплотнительный зубец 45 механически обработан на самом элементе 47 соплового аппарата. Однако при изнашивании подобного уплотнения, обусловленном истиранием, жесткий уплотнительный зубец не может быть заменен без замены также и соплового аппарата.
На фиг.3 изображена турбина, подобная турбине, показанной на фиг.1, но в которой уплотнительный узел видоизменен и перемещен в соответствии с иллюстративным вариантом выполнения данного изобретения с целью уменьшения опорной поверхности несущего элемента щеточного уплотнения или узла 146 несущего элемента, который также выполнен с уплотнением 122 в виде жесткого зубца, которое служит в качестве резервного уплотнения, дополняющего щеточное уплотнение. Рассмотрим более конкретно иллюстративный вариант выполнения данного изобретения, схематически изображенный на фиг.3, в котором узел 146 несущего элемента щеточного уплотнения содержит гибкие щетинки 136 (иногда также называемые в данном документе гибким щеточным уплотнительным компонентом или «пакетом щетинок»), проходящие радиально к вращающейся части или ротору 110 турбины и обеспечивающие непроницаемое уплотнение с обращенной к ним (или уплотняемой) поверхностью ротора. Остальные части конструкции турбины в целом соответствуют частям конструкции, изображенной в качестве примера на фиг.1, и поэтому на фиг.3 повторно не показаны, однако, следует понимать, что предлагаемый иллюстративный вариант выполнения создает возможность для определенных относящихся к нему конструктивных изменений. Например, ротор в примере, показанном на фиг.3, содержит кольцевую площадку 142, которая расположена смежно с корневой частью лопатки 143 и служит в качестве уплотнительной поверхности, обеспечивающей уплотнение с уменьшенной опорной поверхностью, как изложено более подробно ниже.
В показанном варианте выполнения, вместо выполнения соединения в виде ласточкина хвоста, устанавливаемого в предназначенное для него углубление в виде ласточкина хвоста, несущий элемент 146 имеет один соединительный крюк или выступ 148. Несущий элемент 146 показан установленным в фасонное углубление 150, выполненное непосредственно во внутреннем кольце или перегородке 116 диафрагмы (или соплового аппарата) (и, таким образом, исключается необходимость в несущем элементе 28, показанном на фиг.1), так что один крюк 148 помещен в паз 152 углубления 150. Кроме того, в показанном примере несущий элемент 146 щеточного уплотнения является многослойной конструкцией, составленной из гибких щетинок 136, проложенных между уплотнением 122 в виде жесткого зубца и задней пластиной 156. Уплотнение 122 содержит переднюю цельную пластину 154, выполненную с разделительной частью 158 для отделения гибких щетинок 136 от остальной части пластины 154 для обеспечения возможности осевого изгиба гибких щетинок 136 вперед обычным способом. С другой стороны, задняя пластина 156 содержит выступающую опору 160, которая ограничивает осевое изгибание гибких щетинок 136 назад.
В иллюстративном варианте выполнения изобретения с пластиной 154 объединен (например, выполнен на ней механической обработкой) по меньшей мере один уплотнительный элемент 162 в виде жесткого зубца, расположенный на ее радиальном внутреннем конце с прохождением по существу параллельно щетинкам 136. Элемент 162 не проходит радиально внутрь на то же самое расстояние, на которое проходят щетинки 136, и, таким образом, служит в качестве резервного уплотнения для щетинок.
После проведения экспериментальных исследований было установлено, что гибкие щетинки 136 и жесткое уплотнение 122 являются наиболее эффективными при следующих пространственных взаимных расположениях. Радиальный зазор между кончиком встроенного элемента 162 и площадкой (142) ротора должен составлять по меньшей мере 2W, где W - ширина пакета 136 щетинок, как показано на фиг.3; элемент 162 должен быть расположен перед (относительно направления потока, показанного стрелкой F) пакетом 136 щетинок на расстоянии, равном по меньшей мере 3W, а в случае использования заднего уплотнительного элемента в виде жесткого зубца, расположенного за пакетом щетинок, этот уплотнительный элемент должен быть расположен за пакетом 136 щетинок на расстоянии, равном по меньшей мере 2,5W. При обычном расположении значение ширины пакета 136 щетинок может находиться в диапазоне значений около 0,5-0,7 дюймов (1,27-1,77 см). Такое расположение обеспечивает возможность независимого действия как щеточного уплотнения, так и уплотнения в виде жесткого зубца без влияния друг на друга, с одновременным обеспечением общего уменьшения опорной поверхности несущего элемента 146, в противоположность несущему элементу 28, показанному на фиг.1.
В показанном примере пластина 154 с цельным уплотнением в виде жесткого зубца выполнена механическим способом из металла и имеет по меньшей мере один уплотнительный элемент 162 в виде жесткого зубца. Пакет 136 щетинок щеточного уплотнения вставлен между указанной пластиной 154 и задней пластиной 156 и приварен между ними с образованием тем самым узла несущего элемента. Следует понимать, что введение жесткого зубца не только способствует снижению размера несущего элемента уплотнения, но также облегчает замену жесткого зубца, если он получит повреждение в результате трения о ротор.
Как изложено выше, конструкция, показанная на фиг.1, содержит большой несущий элемент 34 щеточного уплотнения, установленный в несущем элементе 28, предназначенном для множества жестких зубцов. Такое решение обусловливает возрастающие требования к материалу и пространству для данного узла. Кроме того, при таком решении необходимо использовать более жесткие зубцы 32, чем это может быть необходимо, благодаря эффективности щеточного уплотнения. Объединенная конструкция, предлагаемая выше в данном документе и схематически показанная на фиг.3, обеспечивает возможность создания несущего элемента 146, имеющего только один жесткий зубец 162. Кроме того, следует понимать, что выполнение несущего элемента 146 в виде многослойного узла из пластин и щетинок, который установлен, например, прямо на перегородку 116 соплового аппарата, дополнительно существенно снижают осевой размер несущего элемента 146 уплотнения, по сравнению, например, с несущим элементом 28 уплотнения, изображенным на фиг.1.
Следует понимать, что, несмотря на то, что показанный в качестве примера несущий элемент 146 содержит пластины 154, 156, как изложено выше, части несущего элемента могут иметь конфигурации и особенности формы, которые отличаются от приведенных примеров. Например, несмотря на то, что задняя пластина 157 показана с крюком 148, обеспечивающим соединение с пазом 152 углубления 150 в перегородке соплового аппарата /внутреннем кольце 116 диафрагмы, пластина 154 также может содержать подобный крюк вместо крюка 148 или в дополнение к нему, для соединения с соответствующим пазом во внутреннем кольце диафрагмы/ перегородке соплового аппарата. Кроме того, несмотря на то, что жесткий зубец 162 показан выполненным в виде неотъемлемой части пластины 154, следует понимать, что в дополнение, или как вариант, или пластина 154, или задняя пластина 156, или обе эти пластины могут иметь жесткий зубец, объединенный с ними. Дополнительно, хотя был показан только один жесткий зубец, следует понимать, что осевая толщина соответствующей пластины может быть выбрана так, чтобы можно было поместить различное количество жестких зубцов. Даже более того, хотя были приведены описание и иллюстрация варианта выполнения уплотнения как проходящего прямо во внутреннее кольцо (перегородку) диафрагмы (соплового аппарата), кроме того, новый уплотнительный узел может проходить прямо в углубление в статоре над венечной частью лопатки и создавать в нем уплотнение, которое может быть частью корпуса или частью наружного кольца диафрагмы. Подобные уплотнительные конструкции могут быть выполнены, при необходимости, в других местах.
Таким образом, несмотря на то, что данное изобретение было описано применительно к варианту выполнения, считающемуся в настоящее время наиболее практичным и предпочтительным, следует понимать, что данное изобретение не ограничивается этим вариантом, наоборот, подразумевается, что данное изобретение распространяется на различные модификации и эквивалентные конструкции, подпадающие под сущность и объем правовой охраны, изложенные в прилагаемой формуле изобретения.
Перечень элементов
ротор
10
колеса
12
лопатки
14
внутреннее кольцо или перегородка диафрагмы
16
корпус
18
лопатка соплового аппарата
20
лабиринтные уплотнения
22, 24, 26
несущий элемент зубцов
28
сегмент уплотнительного кольца
30
зубцы
32, 33
щеточное уплотнение
34
щетинки
36
приподнятая секция ротора
38
поверхностные участки
40
платформа
42
полость
44
жесткий уплотнительный зубец
45
элемент соплового аппарата
47
уплотнение в виде жесткого зубца
122
гибкие щетинки или пакет щетинок
136
кольцевая площадка
142
лопатка
143
узел несущего элемента
146
крюк или выступ
148
углубление
150
паз
152
пластина с уплотнением в виде жесткого зубца
154
задняя пластина
156
разделительная часть
158
опора
160
уплотнительный элемент в виде жесткого зубца
162