Уплотнение турбомашины

Предлагаемое техническое решение относится к области энергомашиностроения, конкретно турбостроения, в частности к конструкции концевых и внутренних уплотнений корпусов и концевых уплотнений корпусов подшипников турбомашин.
Конструкция уплотнений современных турбомашин должна удовлетворять ряду требований, в первую очередь, обеспечивать их надежность и эффективность работы. Уменьшение утечек пара или газа из концевых или внутренних (диафрагменных) уплотнений корпусов турбомашин повышает экономичность (КПД) турбомашины. Уменьшение утечек масла из концевых уплотнений корпусов подшипников позволяет избежать попадания масла на горячие части корпусов турбомашин и обеспечивает их пожарную и экологическую безопасность.
Наиболее применяемым путем решения существующей технической проблемы обеспечения минимума утечек рабочей среды (пара, газа, воздуха, масла) из уплотнений является, в первую очередь, минимизация радиальных зазоров между рабочими поверхностями уплотнений и вращающегося вала. Однако зазоры нельзя выполнять слишком малыми, так как повышенная вибрация турбомашины при пусках, наладках и других эксплуатационных режимах неизбежно приведет к задеваниям, износу гребней уплотнений и увеличению утечки рабочей среды, а в наиболее неблагоприятных случаях задевания могут привести к тепловым прогибам роторов и вызвать серьезные аварии.
Другим путем решения проблемы уменьшения утечек является установка большого числа гребней уплотнения. Однако повышение количества гребней приводит к увеличению длины ротора и снижению его жесткости, что, в свою очередь, приводит к повышению вибрации и, соответственно, к увеличению радиальных зазоров в уплотнениях во избежание задеваний. Таким образом, для обеспечения безопасности при задеваниях конструкция уплотнения должна иметь оптимальное соотношение между числом гребней и величиной радиальных зазоров. (Трухний А.Д., Лосев СМ., Стационарные паровые турбины / Под редакцией Б.М. Трояновского, М.: Энергоиздат, 1981, стр. 104)
Решением данной технической проблемы является создание надежной, эффективной, безопасной конструкции уплотнения, имеющего минимальные радиальные зазоры.
Известно уплотнение ротора (вала) паровой турбины «Маслозащитное уплотнение ротора» (патент РФ №23186, МПК F16J 15/00, опубликовано 27.05.2002 г.), содержащее корпус с горизонтальным разъемом, гребни уплотнения, установленные в корпусе с радиальным зазором относительно поверхности ротора. Между гребнями выполнена кольцевая проточка, в которой установлен фторопластовый термостойкий плетеный жгут в качестве контактного уплотнения для предотвращения утечки масла в зазор между корпусом подшипника и вращающимся ротором. Для предотвращения смещения жгута в окружном направлении и возможности его радиального смещения во время «притирания» контактных поверхностей в паре жгут-ротор он плотно одевается на установленные в кольцевой проточке по ее окружности острые цилиндрические шипы металлических фиксаторов.
Недостатки данной конструкции были выявлены во время ее эксплуатации - многократно, особенно при разворотах турбины, происходило выдавливание жгута из своего рабочего положения на гребни уплотнения. При этом повышалась вибрация подшипников сверх предельных значений, увеличивались утечки масла, что приводило к значительным затратам на устранение вибрации и ремонт уплотнений.
Известно уплотнение для уплотнения рабочей среды - пара или газа «Лабиринтное привальное уплотнение паровой турбины» (патент на полезную модель РФ №90845, МПК F01D 11/02, опубликовано 20.01.2010 г.). Уплотнение содержит вал с уплотнительными кольцевыми гребешками, корпус, на внутренней поверхности которого выполнены кольцевые проточки с заплечиками, уплотнительные сегментные кольца с выступами, опорные поверхности которых контактируют с опорными поверхностями заплечиков. В сегментах выполнены глухие радиальные отверстия, в которых установлены винтовые пружины сжатия. На уплотнительные сегментные кольца установлены с помощью пайки мелкоячеистые сотовые поверхности, изготовленные из тонкой металлической фольги. Радиальный зазор между уплотнительными кольцевыми гребешками вала и сотовой поверхностью уплотнительных сегментных колец выдерживается в диапазоне 0,15÷0,20 мм.
Недостатком известного уплотнения является быстрый износ его сотовой поверхности в случае возможных задеваний с поверхностью вращающегося вала, так как соты выполнены из тонкой металлической фольги и не являются антифрикционными. Для обеспечения и сохранения эффективности этого уплотнения при возможных задеваниях на соответствующей части валов выполнены уплотнительные кольцевые гребешки для прорезания канавок в мелкоячеистой сотовой поверхности. Так как режимы пусков-остановов турбин могут происходить при различных тепловых состояниях и, соответственно, при разных относительных расширениях роторов и корпусов, то канавки каждый раз прорезаются в новых местах, и зачастую, в течение непродолжительного времени, сотовые поверхности оказываются полностью сточенными. Это приводит к увеличению радиального зазора, увеличению утечек рабочей среды через уплотнение и, в целом, к снижению эффективности уплотнений.
Наиболее близким техническим решением к предлагаемому техническому решению, по совокупности существенных признаков и выбранным в качестве прототипа, является уплотнение между корпусом подшипника и валом «Уплотнение подшипников скольжения» (патент РФ №9277, МПК F16C 17/00, опубликовано 16.02.1999 г. ). Уплотнение содержит верхнее полукольцо и нижнее полукольцо, сегменты с уплотнительными пластинами (гребнями), размещенные с радиальным зазором в кольцевой расточке полуколец и подпружиненные в радиальном направлении пружинами, установленными в сегментах. В качестве пружин установлены плоские пластины. Сегменты имеют Г-образную форму, соответствующую Г-образной кольцевой расточке. В одном из сегментов, размещенном в нижнем полукольце, выполнены дренажные отверстия, сообщающие кольцевую щель между уплотнением и валом с полостью между расточкой и сегментами. Сегменты устанавливаются таким образом, чтобы на рабочей частоте вращения по всей окружности обеспечивался минимальный равномерный радиальный зазор между уплотнительными пластинами сегментов и поверхностью вала. В случае недостаточных радиальных зазоров или задеваний, особенно при прохождении критических частот вращения с повышенной вибрацией валов во время пусков - остановов машин, сегменты могут смещаться в радиальном направлении, при этом износ уплотнительных пластин уменьшается.
Недостатком известного уплотнения является то, что, вероятность его износа и снижения эффективности при эксплуатации остается большой. Плоские пружины с течением времени существенно снижают свои упругие свойства, при этом радиальные зазоры и, соответственно, утечки масла, увеличиваются. В моменты повышенной вибрации происходит достаточно быстрый износ уплотнительных пластин, а, следовательно, увеличение радиального зазора и утечек масла через уплотнение. Вследствие названных причин после опытной эксплуатации указанная конструкция уплотнений не нашла широкого применения.
Технический результат, на достижение которого направлено заявляемое решение, заключается в повышении эффективности, ресурса, эксплуатационной надежности, пожарной и экологической безопасности уплотнений турбомашины за счет обеспечения минимальных утечек рабочей среды через уплотнение при сохранении минимального радиального зазора между уплотнением и валом в течение длительного времени.
Для достижения указанного выше технического результата предлагается уплотнение турбомашины, содержащее верхнее полукольцо и нижнее полукольцо, сегменты с гребнями, размещенные с радиальным зазором в кольцевой расточке полуколец и подпружиненные пружинами.
При этом, согласно заявляемой полезной модели, в сегментах между гребнями выполнены кольцевые пазы, в которых жестко закреплены кольцевые уплотнительные элементы, выполненные из полимерного антифрикционного материала. Диаметр кольцевых уплотнительных элементов меньше диаметра гребней.
Наличие кольцевых уплотнительных элементов, выполненных из полимерного антифрикционного материала меньшего диаметра, чем диаметр гребней, позволяет сохранить неповрежденными кромки гребней, сохранить постоянный минимальный зазор между кольцевыми уплотнительными элементами и поверхностью вала, и, таким образом, обеспечить минимальные утечки рабочей среды, тем самым, повысить эффективность и надежность работы уплотнения, вследствие максимального снижения его повреждаемости, обеспечить безопасность эксплуатации и защиту окружающей среды.
Жесткое закрепление кольцевых уплотнительных элементов в кольцевых пазах сегментов практически полностью исключает их деформацию, выдавливание из кольцевых пазов и предотвращает жесткий контакт гребней с поверхностью вращающегося вала и их износ, приводящий к увеличению радиального зазора и росту утечек рабочей среды.
Полимерный антифрикционный материал обладает значительно большей стойкостью к истиранию по сравнению с металлическими гребнями. Выполнение кольцевых уплотнительных элементов из вышеуказанного материала в совокупности с их надежной фиксацией и возможностью радиального смещения повышает ресурс работы уплотнения, эксплуатационную надежность и эффективность за счет сохранения минимальных радиальных зазоров между уплотнительными элементами и поверхностью вала в течение длительного срока эксплуатации.
Представленные графические материалы содержат пример конкретного выполнения уплотнения турбомашины.
На фиг. 1 представлен поперечный разрез уплотнения в сборе; на фиг. 2 - поперечный разрез А-А сегмента с кольцевым уплотнительным элементом в верхнем полукольце.
1
Уплотнение турбомашины содержит верхнее полукольцо 1 и нижнее полукольцо 2, сегменты 3 с гребнями 4, размещенные с радиальным зазором в кольцевой расточке 5 верхнего полукольца 1 и нижнего полукольца 2 и подпружиненные винтовыми пружинами 6, установленными в сегментах 3. Применение винтовых пружин 6 обеспечивает стабильность прижатия сегментов 3 к опорной поверхности кольцевой расточки 5, обеспечивая установленные минимальные зазоры между сопрягаемыми поверхностями вала и уплотнением. При использовании предлагаемой конструкции уплотнения гребни 4 выполняются зачеканенными в сегменты 3 или цельноточеными заодно с ними. При этом, в качестве материала сегментов 3 используется сталь, например, сталь 20 или 15ХМ, а гребни 4 могут быть выполнены как из вышеупомянутой стали, так и из латуни, например, Л63. На фиг.2 приведен пример конструкции уплотнения с зачеканеными гребнями 4. В сегментах 3 между гребнями 4 выполнены кольцевые пазы 7. В кольцевых пазах 7 жестко закреплены, например, кольцевой чеканкой или станочной вальцовкой по всей боковой поверхности кольцевого паза, кольцевые уплотнительные элементы 8. Кольцевые уплотнительные элементы 8 выполнены из листового полимерного антифрикционного материала, обладающего повышенной стойкостью к истиранию, например, из углепластика марки УФПС или фторопласта марки Ф4. Диаметр D кольцевых уплотнительных элементов 8 меньше диаметра D гребней 4 в пределах диапазона 0,01-0,5 мм. Сегменты 3 устанавливаются таким образом, чтобы на рабочей частоте вращения вала 9 по всей окружности обеспечивался минимальный нормативный радиальный зазор 0,10-0.20 мм между сопрягаемыми поверхностями кольцевых уплотнительных элементов 8 и вала 9. Крайние сегменты 3 в верхнем 1 и нижнем 2 полукольцах фиксируются от окружного смещения винтами 10, устанавливаемыми рядом с горизонтальным разъемом полуколец 1 и 2.
Предлагаемая конструкция уплотнения может использоваться в качестве концевых уплотнений корпусов турбомашин и их подшипников, т.е. в местах выхода из них валов, а также в качестве внутренних (диафрагменных) уплотнений корпусов турбомашин, т.е. для уплотнения сопрягаемых поверхностей диафрагм и валов.
Предлагаемая конструкция уплотнения турбомашины работает следующим образом.
При расчетной работе уплотнения - без задеваний по рабочим поверхностям, например, когда вибрация вала 9 в месте его установки меньше величины радиального зазора, сегменты 3 уплотнения всегда находятся полностью прижатыми винтовыми пружинами 6 к опорным поверхностям кольцевой расточки 5 полуколец 1 и 2, обеспечивая установленные радиальные зазоры.
При отклонениях от расчетной работы уплотнения в случае возможных контактов кольцевых уплотнительных элементов 8 с поверхностью вращающегося вала 9, например, при повышенной вибрации вала 9 в месте его установки при прохождении критических частот вращения во время пусков и остановов турбомашин, подпружиненные сегменты 3 уплотнения смещаются в радиальном направлении. При этом, вследствие их высокой подвижности и высоких антифрикционных свойств полимерного антифрикционного материала, из которого изготовлены кольцевые уплотнительные элементы 8, обеспечиваются незначительный уровень контактных напряжений на рабочей поверхности уплотнительных элементов 8 и их незначительный износ.
Конструкция уплотнения позволяет обеспечить минимальные радиальные зазоры между уплотнительными элементами сегментов и поверхностью вращающегося вала порядка 0,10-0,20 мм и сохранять их в течение длительного срока эксплуатации. При использовании уплотнения обеспечивается практически полное исключение утечек рабочей среды, высокая эффективность, надежность и длительный ресурс работы, пожарная и экологическая безопасность.