Система (варианты) и способ уплотнения вала
SYSTEM (VERSIONS) AND METHOD FOR SHAFT SEALING

ПЕРЕКРЕСТНАЯ ССЫЛКА НА РОДСТВЕННЫЕ ЗАЯВКИ
[0001] Данная заявка на патент связана с заявкой США (General Electric Реестр №251445-1), поданной одновременно с этой заявкой.
ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0002] Настоящее изобретение в целом относится к паровым турбинам и, более конкретно, к автономной уплотнительной системе для вала паровой турбины.
[0003] Через границу давления корпуса паровой турбины проходит вращающийся вал турбины для передачи мощности, генерируемой турбиной, за пределы паровой среды. Следовательно, вал должен быть герметично изолирован в тех местах, где он проходит через корпус, чтобы предотвращать выход пара, что может быть опасно для находящихся поблизости людей. Уплотнения вала должны также предотвращать поступление воздуха в корпус, что имеет пагубные последствия для производительности турбины.
[0004] В уровне техники используются различные системы уплотнения вала, в том числе, например, лабиринтное уплотнение, расположенное вокруг торцов вала. Лабиринтные уплотнения содержат зубцы, которые охватывают вал, но не соприкасаются с ним, образуя проходы протечки между уплотнением и валом. Системы уплотнения вала дополнительно содержат воздушные уплотнения, задачей которых является, в основном, предотвращение попадания воздуха в паровую турбину. В осевом направлении внутри воздушных уплотнений расположены паровые уплотнения, которые предотвращают выход пара наружу из паровой турбины. Для поддержания положительного перепада давления через воздушные уплотнения и паровые уплотнения и для поддержки необходимых функций турбины необходимо дополнительное оборудование, включая магистрали, регуляторы парового уплотнения, конденсаторы уплотнительного пара и вспомогательные котлы. В некоторых случаях для уменьшения протечки вместе с лабиринтным уплотнением используется щеточное уплотнение, но указанное выше дополнительное оборудование остается необходимым для обеспечения правильной работы турбины. Конденсатор уплотнительного пара используется для поддержания небольшого вакуума, для откачки воздуха, который прошел воздушное уплотнение в направлении входа в корпус, и для выпуска пара, который прошел паровое уплотнение в направлении выхода из корпуса. Коллектор уплотняющего воздуха обычно поддерживается при положительном давлении, и либо подает пар в кольцевое пространство внутрь от парового уплотнения, либо убирает пар из кольцевого пространства, по мере необходимости, в зависимости от того, больше ли протечка пара через паровое уплотнение, или больше протечка из внутренней части паровой турбины. Положительное давление в кольцевом пространстве внутри парового уплотнения предотвращает попадание воздуха в турбину.
[0005] Как уже отмечалось, системы лабиринтного уплотнения вала, такие как описанные, требуют поддержки обширной системы дополнительного оборудования, которое не вносит вклад в работу, производимую турбиной. Это дополнительное оборудование увеличивает площадь установки, а также требования к техническому обслуживанию, не давая никакого непосредственного вклада в выходную мощность турбины.
[0006] Одной альтернативой использования лабиринтных уплотнений или щеточных уплотнений является использование углеродных сегментированных круговых уплотнений или торцевых уплотнений, которые имеют меньшие эффективные зазоры, чем типичные зазоры от 0,75 мм до 1 мм для конструкции лабиринтного уплотнения. Зазоры лабиринтных уплотнений обеспечивают возможность прохождения твердых частиц, находящихся в атмосферном воздухе, через уплотнения без всяких проблем. В конструкциях систем уплотнения, которые используют углеродные уплотнения, имеющие гораздо меньшие зазоры, частицы, однако, могут быть захвачены в зазоре, приводя к повреждению уплотнения. Это представляет собой проблему, особенно для таких установок, как, например, установки, работающие на угле, где в окружающем воздухе сильно распространены твердые частицы, такие как угольная пыль.
Так, в патентном документе США №2012/0027565 описана турбоустановка, содержащая, среди прочего, систему герметизирующих лабиринтных уплотнений, расположенных вокруг общего вала, а также магистрали обратного слива, предназначенные для совершения работы в ступенях более низкого давления с использованием пара, проходящего от основных герметизирующих уплотнений, расположенных вокруг ступеней более высокого давления. Когда пар проходит от герметизирующего уплотнения, магистрали обратного слива обеспечивают повышение КПД турбины путем использования пара протечки, находящегося под более высоким давлением, для приведения в действие турбинных секций более низкого давления. С точки зрения герметизации указанные магистрали только уменьшают поток протечки пара, который должен надлежащим образом регулироваться системой уплотнений. Собственно система уплотнения согласно патентному документу США №2012/0027565 также содержит магистрали обратного слива, но ведущие от герметизирующих уплотнений к коллектору уплотнительного пара, который при запуске обеспечивает подачу пара к уплотнению для предотвращения поступления воздуха извне, однако при полной нагрузке получает пар от указанного уплотнения. Совместно с клапанами и системой вывода уплотнительного пара, содержащей указанный конденсатор, коллектор регулирует поток протечки пара во всех рабочих режимах, обеспечивая подачу к герметичным уплотнениям в уплотнительной системе пара, который затем втягивается с воздухом в указанный конденсатор, подачу пара к герметизирующим уплотнениям во время запуска, прием пара от уплотнений выше «точки самогерметизации» и, следовательно, поддержание целостности турбоустановки с точки зрения герметизации. Таким образом, помимо вышеописанных недостатков лабиринтных уплотнений, в такой турбоустановке для поддержания ее герметичности необходимо наличие большого количества дополнительных компонентов, таких как конденсатор уплотнительного пара и связанные с ним клапаны и трубопроводы. В ней не создается вакуум и, следовательно, пар не втягивается через соединительные магистрали, а вместо этого магистрали обратного слива нагнетают пар от местоположения в одном из основных уплотнений в турбинной секции высокого давления к секции более низкого давления для совершения работы.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0007] Первый аспект настоящего изобретения относится к системе уплотнения вала в турбоустановке, содержащей первую секцию турбины и расположенную ниже по потоку секцию, причем первая секция турбины содержит вращающийся элемент, имеющий вал, и неподвижный элемент, окружающий вращающийся элемент и ограничивающий паровой проточный тракт. Система уплотнения вала содержит по меньшей мере одно уплотнение, расположенное вокруг как первого конца вала, так и второго конца вала и предназначенное для уплотнения вала первой секции турбины с предотвращением попадания воздуха. Указанное по меньшей мере одно уплотнение содержит основное уплотнение и паровое уплотнение, расположенное в осевом направлении снаружи от основного уплотнения, и указанное по меньшей мере одно уплотнение, расположенное вокруг как первого конца вала, так и второго конца вала, содержит гидродинамическое бесконтактное уплотнение, которое содержит углеродное сегментированное кольцевое уплотнение. Система уплотнения вала также содержит первую соединительную магистраль для проведения пара из первой секции турбины к первой ступени расположенной ниже по потоку секции турбоустановки, причем указанная первая ступень имеет рабочее давление ниже давления в первой секции турбины, так что при работе пар втягивается через первую соединительную магистраль из первого кольцевого пространства, расположенного между основным уплотнением и паровым уплотнением на первом конце вала, и второго кольцевого пространства, расположенного между основным уплотнением и паровым уплотнением на втором конце вала к указанной первой ступени. Расположенная ниже по потоку секция турбоустановки представляет собой либо секцию низкого давления, либо комбинированную секцию среднего давления/низкого давления, либо секцию среднего давления турбоустановки, а первая секция турбины представляет собой либо секцию сверхвысокого давления, либо секцию высокого давления, либо секцию среднего давления турбоустановки, причем система уплотнения вала не требует использования внешнего поддерживающего дополнительного оборудования, такого как конденсаторы уплотнительного пара, и оба конца вала, первый и второй, находятся при давлении, большем, чем атмосферное давление. Кроме того, первая секция турбины может представлять собой секцию среднего давления турбоустановки. Кроме того, расположенная ниже по потоку секция может представлять собой секцию низкого давления турбоустановки. Кроме того, первая секция турбины может представлять собой секцию высокого давления турбоустановки, а расположенная ниже по потоку секция может представлять собой комбинированную секцию среднего давления/низкого давления. Кроме того, каждое уплотнение из указанного по меньшей мере одного уплотнения, расположенного вокруг как первого конца вала, так и второго конца вала, содержит воздушное уплотнение, расположенное в осевом направлении снаружи от соответствующего парового уплотнения, причем система уплотнения вала дополнительно содержит третье кольцевое пространство, расположенное между паровым уплотнением и воздушным уплотнением вокруг первого конца вала, четвертое кольцевое пространство, расположенное между паровым уплотнением и воздушным уплотнением вокруг второго конца вала, и вторую соединительную магистраль, проточно соединяющую второе кольцевое пространство со второй ступенью расположенной ниже по потоку секции, причем вторая ступень имеет более низкое давление, чем давление в первой ступени. Кроме того, каждое уплотнение из указанного по меньшей мере одного уплотнения, расположенного вокруг как первого конца вала, так и второго конца вала, расположено с зазором относительно вращающегося элемента, который меньше или равен приблизительно 0,025 мм. Кроме того, система дополнительно содержит первое буферное уплотнение, расположенное в осевом направлении снаружи от указанного по меньшей мере одного уплотнения, расположенного вокруг первого конца вала, и второе буферное уплотнение, расположенное в осевом направлении снаружи от указанного по меньшей мере одного уплотнения, расположенного вокруг второго конца вала, и магистраль подачи отфильтрованного воздуха, обеспечивающую подачу отфильтрованного воздуха как к первой полости, расположенной между первым буферным уплотнением и указанным по меньшей мере одним уплотнением вокруг первого конца вала, так и ко второй полости, расположенной между вторым буферным уплотнением и указанным по меньшей мере одним уплотнением вокруг второго конца вала. Кроме того, первая секция турбины может представлять собой секцию среднего давления турбоустановки, а расположенная ниже потоку секция может представлять собой секцию низкого давления турбоустановки. Кроме того, первая секция турбины может представлять собой секцию сверхвысокого давления турбоустановки, а расположенная ниже потоку секция может представлять собой комбинированную секцию среднего давления/низкого давления турбоустановки.
[0008] Второй аспект настоящего изобретения относится к системе уплотнения вала в турбоустановке, содержащей первую секцию турбины и расположенную ниже по потоку секцию, причем первая секция турбины содержит вращающийся элемент, имеющий вал, и неподвижный элемент, окружающий вращающийся элемент и ограничивающий паровой проточный тракт. Система уплотнения вала содержит по меньшей мере одно уплотнение, расположенное вокруг как первого конца вала, так и второго конца вала и предназначенное для уплотнения вала первой секции турбины с предотвращением попадания воздуха. Указанное по меньшей мере одно уплотнение содержит основное уплотнение и паровое уплотнение, расположенное в осевом направлении снаружи от основного уплотнения, и указанное по меньшей мере одно уплотнение, расположенное вокруг как первого конца вала, так и второго конца вала, содержит гидродинамическое бесконтактное уплотнение, которое содержит углеродное сегментированное кольцевое уплотнение. Система уплотнения вала также содержит первое буферное уплотнение, расположенное в осевом направлении снаружи от указанного по меньшей мере одного уплотнения, расположенного вокруг первого конца вала, и второе буферное уплотнение, расположенное в осевом направлении снаружи от указанного по меньшей мере одного уплотнения, расположенного вокруг второго конца вала. Кроме того, система уплотнения вала содержит первую соединительную магистраль для проведения пара из первой секции турбины к первой ступени расположенной ниже по потоку секции турбоустановки, причем указанная первая ступень имеет рабочее давление ниже давления в первой секции турбины, так что при работе пар втягивается через первую соединительную магистраль из первого кольцевого пространства, расположенного между основным уплотнением и паровым уплотнением на первом конце вала, и второго кольцевого пространства, расположенного между основным уплотнением и паровым уплотнением на втором конце вала к указанной первой ступени. Расположенная ниже по потоку секция турбоустановки представляет собой либо секцию низкого давления, либо комбинированную секцию среднего давления/низкого давления, либо секцию среднего давления турбоустановки, а первая секция турбины представляет собой либо секцию сверхвысокого давления, либо секцию высокого давления, либо секцию среднего давления турбоустановки причем система уплотнения вала не требует использования внешнего поддерживающего дополнительного оборудования, такого как конденсаторы уплотнительного пара, и оба конца вала, первый и второй, находятся при давлении, большем, чем атмосферное давление. Кроме того, расположенная ниже по потоку секция может представлять собой секцию низкого давления турбоустановки. Кроме того, каждое уплотнение из указанного по меньшей мере одного уплотнения, расположенного вокруг как первого конца вала, так и второго конца вала, содержит воздушное уплотнение, расположенное в осевом направлении снаружи от соответствующего парового уплотнения, при этом система уплотнения вала дополнительно содержит третье кольцевое пространство, расположенное между паровым уплотнением и воздушным уплотнением вокруг первого конца вала, четвертое кольцевое пространство, расположенное между паровым уплотнением и воздушным уплотнением вокруг второго конца вала, и вторую соединительную магистраль, проточно соединяющую второе кольцевое пространство со второй ступенью расположенной ниже по потоку секции, причем вторая ступень имеет более низкое давление, чем давление в первой ступени. Кроме того, каждое уплотнение из указанного по меньшей мере одного уплотнения, расположенного вокруг как первого конца вала, так и второго конца вала, расположено с зазором относительно вращающегося элемента, который меньше или равен приблизительно 0,025 мм. Кроме того, первая секция турбины может представлять собой секцию среднего давления турбоустановки, а расположенная ниже потоку секция представляет собой секцию низкого давления турбоустановки. Кроме того, первая секция турбины может представлять собой секцию сверхвысокого давления турбоустановки, а расположенная ниже потоку секция может представлять собой комбинированную секцию среднего давления/низкого давления турбоустановки.
Третий аспект настоящего изобретения относится к способу уплотнения вала в турбоустановке, содержащей первую секцию турбины и расположенную ниже по потоку секцию, причем первая секция турбины содержит вращающийся элемент, имеющий вращающийся вал, и неподвижный элемент, окружающий вращающийся вал и ограничивающий паровой проточный тракт. Предложенный способ включает использование по меньшей мере одного уплотнения, расположенного вокруг как первого конца вала, так и второго конца вала, причем указанное по меньше мере одно уплотнение выполняют так, что оно обеспечивает уплотнение вала первой секции турбины с предотвращением попадания воздуха. При использовании указанного по меньшей мере одного уплотнения используют основное уплотнение и паровое уплотнение, расположенное в осевом направлении снаружи от основного уплотнения, и используют гидродинамическое бесконтактное уплотнение, которое содержит углеродное сегментированное кольцевое уплотнение. Способ также включает проведение пара из первой секции турбины в первую ступень расположенной ниже по потоку секции турбоустановки с помощью первой соединительной магистрали, причем указанная первая ступень имеет рабочее давление ниже давления в первой секции турбины, так что создается вакуум в первом кольцевом пространстве, расположенном между основным уплотнением и паровым уплотнением на первом конце вала, и во втором кольцевом пространстве, расположенном между основным уплотнением и паровым уплотнением на втором конце вала. Расположенная ниже по потоку секция турбоустановки представляет собой либо секцию низкого давления, либо комбинированную секцию среднего давления/низкого давления, либо секцию среднего давления турбоустановки, а первая секция турбины представляет собой либо секцию сверхвысокого давления, либо секцию высокого давления, либо секцию среднего давления турбоустановки, причем система уплотнения вала не требует использования внешнего поддерживающего дополнительного оборудования, такого как конденсаторы уплотнительного пара, и как первый конец вала, так и второй конец вала в первой секции турбины находятся при давлении, большем, чем атмосферное давление. Кроме того при использовании указанного по меньшей мере одного уплотнения, расположенного вокруг как первого конца вала, так и второго конца вала, дополнительно: используют воздушное уплотнение, расположенное в осевом направлении снаружи от соответствующего парового уплотнения, проточно соединяют указанное первое кольцевое пространство, расположенное между основным уплотнением и паровым уплотнением, как на первом конце вала, так и на втором конце вала, с указанной первой ступенью расположенной ниже по потоку секции, и проточно соединяют указанное второе кольцевое пространство, расположенное между паровым уплотнением и воздушным уплотнением как на первом конце вала, так и на втором конце вала, со второй ступенью расположенной ниже по потоку секции, при этом вторая ступень имеет более низкое давление, чем первая ступень.
Кроме того, в способе дополнительно: используют первое буферное уплотнение, расположенное в осевом направлении снаружи от указанного по меньшей мере одного уплотнения, расположенного вокруг первого конца вала, используют второе буферное уплотнение, расположенное в осевом направлении снаружи от указанного по меньшей мере одного уплотнения, расположенного вокруг второго конца вала, и обеспечивают подачу отфильтрованного воздуха как к первой полости, расположенной между первым буферным уплотнением и указанным по меньшей мере одним уплотнением, так и ко второй полости, расположенной между вторым буферным уплотнением и указанным по меньшей мере одним уплотнением.
Предложенная конфигурация системы уплотнения вала обеспечивает возможность использования градиента давления, создаваемого секциями турбоустановки, для предотвращения протечки пара из концов вала, благодаря чему система уплотнения является автономной с той точки зрения, что она герметизирует вал турбоустановки в тех местах, в которых он проходит через корпус, предотвращая выход пара из корпуса и попадание воздуха в корпус, без использования внешнего поддерживающего дополнительного оборудования, такого как, например, конденсаторы уплотнительного пара. Кроме того, углеродные сегментированные кольцевые уплотнения характеризуются гораздо меньшими эффективными зазорами и потоками протечки по сравнению с лабиринтными или непрерывными кольцевыми уплотнениями.
[0009] Эти и другие аспекты, преимущества и характерные особенности изобретения станут очевидными из следующего подробного описания, которое, при рассмотрении в сочетании с прилагаемыми чертежами, на которых одинаковые части обозначены одинаковыми номерами позиций на всех чертежах, раскрывают варианты выполнения изобретения.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[0010] Фиг. 1 изображает систему уплотнения вала в соответствии с первым вариантом выполнения настоящего изобретения.
Фиг. 2 изображает систему уплотнения вала в соответствии со вторым вариантом выполнения настоящего изобретения.
Фиг. 3 изображает систему уплотнения вала в соответствии с третьим вариантом выполнения настоящего изобретения.
Фиг. 4 изображает систему уплотнения вала в соответствии с четвертым вариантом выполнения настоящего изобретения.
Фиг. 5 изображает систему уплотнения вала в соответствии с пятым вариантом выполнения настоящего изобретения.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0011] По меньшей мере один вариант выполнения настоящего изобретения описан ниже со ссылкой на его применение в связи с работой паровой турбины. Хотя варианты выполнения настоящего изобретения проиллюстрированы в отношении паровой турбины, следует понимать, что идеи изобретения одинаково применимы к другим турбомашинам, включая, но не ограничиваясь этим, компрессоры. Кроме того, по меньшей мере один вариант выполнения настоящего изобретения описан ниже со ссылкой на номинальный размер и включает множество номинальных размеров. Тем не менее, специалистам в данной области техники должно быть очевидно, что настоящее изобретение также применимо к любой подходящей турбине и/или любому подходящему компрессору. Кроме того, специалистам в данной области техники должно быть очевидно, что настоящее изобретение также применимо в различных масштабах номинального размера и/или номинальных размеров.
[0012] Как указано выше, аспекты настоящего изобретения обеспечивают систему 100 уплотнения вала, различные аспекты которой проиллюстрированы на Фиг. 1-5. Система 100 уплотнения вала является автономной с той точки зрения, что она герметизирует вал турбоустановки в тех местах, в которых вал проходит через корпус, предотвращающая выход пара из корпуса и попадание воздуха в корпус, без использования внешнего поддерживающего дополнительного оборудования, такого как магистрали, регуляторы паровых уплотнений, конденсаторы уплотнительного пара, вспомогательные котлы, и тому подобное, которые не вносят вклад в работу, производимую турбиной. Таким образом, турбоустановка, содержащая автономную систему 100 уплотнения вала, не обременена наличием ранее упомянутого дополнительного оборудования и связанных с ним недостатками.
[0013] Со ссылкой на Фиг. 1-5, предусмотрена первая секция 110 турбины, содержащая вращающийся элемент 120, содержащий вал 130, и неподвижный элемент 140, окружающий вращающийся элемент 120. Вращающийся элемент 120 и неподвижный элемент 140 могут представлять собой любую известную конструкцию, соответственно, ротора и статора. Первая секция 110 турбины может представлять собой секцию турбины любого из различных типов, включая, но не ограничиваясь этим, секцию низкого давления турбины, как показано на Фиг. 1 и 5, секцию среднего давления турбины, или секцию высокого давления турбины, или секцию сверхвысокого давления турбины, как показано на Фиг. 2, или секцию высокого давления или сверхвысокого давления турбины, как показано на Фиг. 3-4. Неподвижный элемент 140 дополнительно образует проточный тракт 150 для пара, имеющий впускное отверстие 160 и выпускное отверстие 170 первой секции 110 турбины. Система 100 уплотнения вала расположена вокруг первого и второго концов 172, 174 вала 130.
[0014] Обращаясь к варианту выполнения, изображенному на Фиг. 1, первая секция 110 турбины может представлять собой секцию турбины низкого давления. В этом варианте выполнения автономная система 100 уплотнения вала может содержать по меньшей мере одно уплотнение, например, первое основное уплотнение 180, расположенное вокруг первого конца 172, и по меньшей мере одно уплотнение, такое как второе основное уплотнение 181, расположенное вокруг второго конца 174 вала 130. Как первое основное уплотнение 180, так и второе основное уплотнение 181 может содержать одно уплотнение или группу уплотнений. Первое и второе основные уплотнения 180, 181 могут быть рассчитаны выдерживать основную нагрузку давления в торцевом уплотнении, т.е. выдерживать значительную разницу давлений между каждой стороной уплотнений 180, 181. Первое и второе основные уплотнения 180, 181 могут дополнительно содержать несколько уплотнительных колец, а в некоторых вариантах выполнения могут содержать магистрали обратного слива, расположенные между каждым из нескольких уплотнительных колец, которые возвращаются обратно в начало секции турбины, чтобы установить разделение давления между группами уплотнений и направлять протечку обратно к проточному проходу для производства большего количества работы.
[0015] Как и в случае двухпоточной секции 110 низкого давления турбины, изображенной на Фиг. 1, первая соединительная магистраль 200 может быть предусмотрена на обоих выходных отверстиях 170, как показано. Первая соединительная магистраль 200 предусмотрена для проведения пара из первой секции 110 турбины к расположенной ниже по потоку секции турбины. Если, например, первая секция 110 турбины представляет собой секцию турбины низкого давления, расположенная ниже по потоку секция может представлять собой конденсатор 220. Как показано в варианте выполнения, изображенном на Фиг. 1, первая соединительная магистраль 200 может проходить в осевом направлении внутрь как от первого, так и от второго основных уплотнений 180, 181, так что значительный объем пара проводится вниз по потоку, прежде чем достичь основных уплотнений 180, 181. В этом случае первая соединительная магистраль 200 также обеспечивает проточный проход. Расположенная ниже по потоку секция турбины имеет давление, которое ниже, чем давление в первой секции 110 турбины, причем каждый конец 172, 174 вала 130 поддерживается при давлении ниже атмосферного, или давлении окружающей среды. Кроме того, в варианте выполнения, изображенном на Фиг. 1, все области, расположенные вдоль осевой длины вала 130 между первым концом 172 и выходным отверстием из турбины, и вторым концом 174 и выходным отверстием из турбины, находятся при давлении, которое меньше, чем давление окружающей среды.
[0016] Как показано далее на Фиг. 1, могут быть предусмотрены первое воздушное уплотнение 184 и второе воздушное уплотнение 185. Первое и второе воздушные уплотнения 184, 185 могут быть расположены в осевом направлении снаружи от, соответственно, первого и второго основных уплотнений 180, 181. Первое и второе воздушные уплотнения 184, 185 в значительной степени предотвращают попадание окружающего воздуха в торцевые уплотнения, расположенные вокруг концов 172, 174 вала 130. В этом варианте выполнения выход пара по существу предотвращается за счет основных уплотнений 180, 181 и за счет градиента давления, оттягивающего пар из выходного отверстия 170 первой секции 110 турбины в конденсатор 220.
[0017] Во время работы, со ссылкой на Фиг. 1, пар поступает в первую секцию 110 турбины через впускное отверстие 160, и следует по паровому тракту 150 через последовательные ступени первой секции 110 турбины к выпускному отверстию 170. Сравнительно низкое давление в конденсаторе 220, по отношению к давлению в первой секции 110 турбины, вызывает прохождение большей части пара по первым соединительным магистралям 200 в конденсатор 220 через выпускное отверстие 170. Небольшая часть пара может просачиваться, и вместо прохода к выпускному отверстию 170, может достигать либо первого, либо второго основного уплотнения 180, 181. Основные уплотнения 180, 181, вместе с уменьшением градиента давления от первой секции 110 турбины к конденсатору 220 по существу приводят к тому, что пар не выходит за пределы основного уплотнения 180, 181, а втягивается обратно в конденсатор 220.
[0018] Со ссылкой на варианты выполнения, изображенные на Фиг. 2-3, в других вариантах выполнения первая секция 110 турбины может представлять собой либо секцию высокого давления (ВД), либо секцию среднего давления (СД), либо секцию сверхвысокого давления (СВД) сверхкритической паровой турбины. В таких вариантах выполнения автономная система 100 уплотнения вала может содержать по меньшей мере одно уплотнение, например, первое основное уплотнение 180, расположенное вокруг первого конца 172, и по меньшей мере одно уплотнение, такое как второе основное уплотнение 181, расположенное вокруг второго конца 174 вала 130. Если, например, первая секция 110 турбины представляет собой секцию либо СВД, либо ВД, либо СД, расположенная ниже по потоку секция может представлять собой секцию 210 низкого давления турбины, как показано на Фиг. 2. В других вариантах выполнения, таких, как показаны на Фиг. 3, первая секция 110 турбины может представлять собой секцию либо ВД, либо СВД турбины, при этом расположенная ниже по потоку секция может представлять собой комбинированную секцию 215 СД/НД турбины, в которой давление впускного конца превышает давление окружающей среды, тогда как давление выпускного конца находится ниже давления окружающей среды.
[0019] Со ссылкой на оба чертежа Фиг. 2-3, расположенная ниже по потоку секция турбины, т.е. секции 210 или 215 низкого или среднего давления, имеет давление, которое ниже самого низкого давления в первой секции 110 турбины. В вариантах выполнения, показанных на Фиг. 2-3, каждый конец 172, 174 вала 130 поддерживается при давлении выше атмосферного или давления окружающей среды. Первое и второе основные уплотнения 180, 181 принимают основной перепад давления в торцевом уплотнении, т.е. выдерживают значительную разницу давлений между обеими сторонами первого и второго основных уплотнений 180, 181. Взяв в качестве примера первое основное уплотнение 180, показанное на Фиг. 3, давление на внутренней стороне первого основного уплотнения 180, т.е. внутри первой секции 110 ВД турбины, может составлять приблизительно 16547 кПа (примерно 2400 фунтов на квадратный дюйм), а давление на наружной стороне первого основного уплотнения 180 может быть ниже, чем приблизительно 124 кПа (около 18 фунтов на квадратный дюйм), в зависимости от расположения по потоку входа в первую ступень 211. Первое и второе основные уплотнения 180, 181 могут дополнительно содержать несколько уплотнительных колец, а в некоторых вариантах выполнения могут содержать магистрали обратного слива между каждым из указанных нескольких уплотнительных колец, которые возвращают к началу цикла протечки в секциях турбины для производства большего количества работы.
[0020] Все также со ссылкой на Фиг. 2-3, первая секция 110 турбины может дополнительно содержать первое и второе паровые уплотнения 182, 183, расположенные в осевом направлении снаружи каждого основного уплотнения 180, 181, соответственно, на первом и втором концах 172, 174. Первое и второе паровые уплотнения 182, 183 по существу предотвращают выход пара из первой секции 110 турбины. Первое кольцевое пространство 230 может быть расположено между первым основным уплотнением 180 и первым паровым уплотнением 182 на первом конце 172 вала 130; а второе кольцевое пространство 240 может быть расположено между вторым основным уплотнением 181 и вторым паровым уплотнением 183 на втором конце 174 вала 130.
[0021] Для проведения пара из первой секции 110 турбины к расположенной ниже по потоку секции турбины может быть дополнительно предусмотрена первая соединительная магистраль 200. Первая соединительная магистраль 200 расположена так, что ее первый конец проточно соединяет первое и второе кольцевые пространства 230, 240 друг с другом и с первой секцией 210 низкого давления (Фиг. 2) или с комбинированной секцией 215 СД/НД (Фиг. 3). Первое и второе воздушные уплотнения 184, 185 могут быть дополнительно предусмотрены снаружи от первого и второго паровых уплотнений, соответственно, на обоих концах 172, 174 вала 130. Первое и второе воздушные уплотнения 184, 185 по существу предотвращают попадание воздуха в торцевые уплотнения, расположенные вокруг концов 172, 174 вала 130. Третье кольцевое пространство 250 может быть расположено между первым воздушным уплотнением 184 и первым паровым уплотнением 182 на первом конце 172 вала 130, а четвертое кольцевое пространство 260 может быть расположено между вторым воздушным уплотнением 185 и вторым паровым уплотнением 183 на втором конце 174 вала 130. Третье и четвертое кольцевые пространства 250, 260 проточно соединены второй соединительной магистралью 270 друг с другом и со второй ступенью 212 в секции 210 низкого давления (Фиг. 2) или секции 215 СД (Фиг. 3), как это уместно. Вторая ступень 212 расположена ниже по потоку от первой ступени 211 и имеет более низкое давление, чем давление окружающей среды и чем давление в первой ступени 211. Это создает более сильный эффект вакуума в третьем и четвертом кольцевых пространствах 250, 260, чем в первом и втором кольцевых пространствах 230, 240.
[0022] При работе, со ссылкой на Фиг. 2-3, пар поступает в первую секцию 110 турбины через впускное отверстие 160, и следует по паровому тракту 150 через последовательные ступени первой секции 110 турбины к выпускному отверстию 170. Сравнительно низкое давление секции 210 низкого давления (Фиг. 2) или секции 215 среднего давления (Фиг. 3) относительно давления в первой секции 110 турбины приводит к тому, что большая часть пара проходит по соответствующей секции 210, 215 низкого давления через выпускное отверстие 170. Небольшая часть пара может, однако, просачиваться, и вместо того, чтобы проходить к выпускному отверстию 170, может достигать либо первого, либо второго основного уплотнения 180, 181. Основные уплотнения 180, 181, вместе с уменьшающимся градиентом давления от первой секции 110 турбины к секции 215 среднего давления (Фиг. 3) или секции 210 низкого давления (Фиг. 2), уменьшают количество пара, которое может выйти из парового тракта 150. Небольшое количество пара может, однако, выходить за пределы основного уплотнения 180, 181. Первое и второе кольцевые пространства 230, 240, в сообщении с первой соединительной магистралью 200, обеспечивают магистраль для доставки этого пара в первую ступень 211 секции 210 низкого давления (Фиг. 2) или секции 215 СД (Фиг. 3), как это уместно. В результате сравнительно низкого давления в первой ступени 211, по сравнению с давлением в первом и во втором кольцевых пространствах 230, 240, в первом и во втором кольцевых пространствах 230, 240 создается вакуум, который втягивает пар в секцию 210 низкого давления (Фиг. 2) или в секцию 215 СД (Фиг. 3), как это уместно. Первое и второе паровые уплотнения 182, 183 служат для дальнейшего уменьшения количества пара, который может выйти из первой секции 110 турбины. Вторая соединительная магистраль 270, а также третье и четвертое кольцевые пространства 250, 260 обеспечивает механизм для захвата любого пара, который вышел за пределы первого и второго парового уплотнения 182, 183, и создания разряжения в первом и втором кольцевых пространствах 230, 240. Вторая соединительная магистраль 270 доставляет пар из третьего и четвертого кольцевых пространств 250, 260 ко второй ступени 212 секции 210 низкого давления (Фиг. 2) или секции 215 СД (Фиг. 3), как применимо. Поскольку вторая ступень 212 является более поздней ступенью в секции 210 низкого давления (Фиг. 2) или секции 215 СД (Фиг. 3), она имеет более низкое давление, чем первая ступень 211 и создает более сильное разряжение во второй соединительной магистрали 270, чем в первой соединительной магистрали 200. Таким образом, первая и вторая ступени 211, 212 секции 210 низкого давления (Фиг. 2) или секции 215 СД (Фиг. 3) обеспечивают необходимый градиент давления, который по существу предотвращает протечку пара из концов 172, 174, в связи с ранее описанными уплотнениями, используя градиент давления, по существу создаваемый турбинной системой.
[0023] Со ссылкой на Фиг. 1-4, в различных вариантах выполнения каждое из вышеупомянутых основных уплотнений 180, 181, паровых уплотнений 182, 183 и воздушных уплотнений 184, 185, расположенное вокруг первого и второго концов 172, 174 вала 130, может представлять собой гидродинамическое бесконтактное уплотнение. В других вариантах выполнения основные уплотнения 180, 181; паровые уплотнения 182, 183; и воздушные уплотнения 184, 185, применительно к различным вариантам выполнения, могут представлять собой либо сегментированное кольцевое уплотнение, либо торцевое уплотнение. Сегментированное кольцевое уплотнение или торцевое уплотнение может также быть изготовлено из углерода. Паровые уплотнения 182, 183 и воздушные уплотнения 184, 185 могут иметь очень небольшие зазоры относительно вала 130. Например, такой зазор может быть меньше или равен примерно 0,025 мм.
[0024] Со ссылкой на Фиг. 4-5 и с дополнительной ссылкой на все вышеописанные варианты выполнения, система 100 уплотнения вала может дополнительно содержать первое буферное уплотнение 280, расположенное в осевом направлении снаружи по меньшей мере одного уплотнения, включая основное уплотнение 180 и паровое уплотнение 182 и/или воздушное уплотнение 184, когда оно имеется в наличии. Система 100 уплотнения вала может дополнительно содержать второе буферное уплотнение 290, расположенное в осевом направлении снаружи по меньшей мере одного уплотнения, включая второе основное уплотнение 181 и паровое уплотнение 183 и/или воздушное уплотнение 185, когда оно имеется в наличии.
[0025] В различных вариантах выполнения могут быть дополнительно предусмотрены источник 305 отфильтрованного воздуха и магистраль 300 подачи отфильтрованного воздуха. Магистраль 300 может обеспечивать проточное сообщение источника 305 отфильтрованного воздуха как с первой полостью 310, так и со второй полостью 320, так что отфильтрованный воздух может быть доставлен от источника 305 отфильтрованного воздуха в первую и вторую полости 310, 320. Магистраль 300 обеспечивает чистый, по существу свободный от частиц воздух, в окружающую среду, содействуя в обеспечении герметичности вращающегося элемента 120. Первая полость 310 может быть расположена между первым буферным уплотнением 280 и самым наружным в осевом направлении уплотнением, выбранным из по меньшей мере одного уплотнения 180, 182, 184; а вторая полость 320 может быть расположена между вторым буферным уплотнением 290 и самым наружным в осевом направлении уплотнением, выбранным из по меньшей мере одного уплотнения 181, 183, 185, когда они имеются в наличии. В процессе работы введение отфильтрованного воздуха через магистраль 300 обеспечивает улучшенную герметичность уплотнения вращающегося элемента 120 и меньшую вероятность протечки пара и попадания воздуха. В вариантах выполнения, показанных на Фиг. 4-5, например, первая полость 310 расположена между первым воздушным уплотнением 184 и первым буферным уплотнением 280. Вторая полость 320 расположена между вторым буферным уплотнением 290 и вторым воздушным уплотнением 185.
[0026] Как далее показано на Фиг. 4, магистраль 300 подачи отфильтрованного воздуха может доставлять отфильтрованный воздух из источника 305 отфильтрованного воздуха как к первой 310, так и ко второй полости 320 в первой секции 110 турбины, а также к аналогичным образом расположенным первой и второй полостям 310, 320 в расположенной ниже по потоку секции 210 низкого давления.
[0027] Как используется в настоящем документе, термины «первый», «второй» и аналогичные не обозначают никакой порядок, количество или значение, а используются исключительно для отличия одного элемента от другого, а термины, приведенные в настоящем описании в единственном числе, не означают ограничение по количеству, а скорее обозначают наличие по меньшей мере одного указанного предмета. Модификатор «приблизительно», используемый в связи с количеством, означает включение указанной величины, и имеет значение, продиктованное контекстом (например, включает степень ошибки, связанной с измерением конкретного количества). Суффикс множественного числа, используемый в настоящем документе, включает как единственное, так множественное число предмета, с названием которого он используется, включая, тем самым, один или несколько этих предметов (например, металл(ы) включают в понятие один или несколько металлов). Диапазоны, описанные в настоящем документе, являются инклюзивными и независимо объединяющими (например, диапазон «до приблизительно 25 мм, или, более конкретно, от приблизительно 5 мм до приблизительно 20 мм» включает конечные значения и все промежуточные значения в диапазоне от «приблизительно 5 мм до приблизительно 25 мм » и т.д.).
[0028] Несмотря на то, что в настоящем документе описаны различные варианты выполнения, из описания изобретения следует понимать, что специалистами в данной области техники могут быть выполнены различные комбинации элементов, изменения или усовершенствования, которые находятся в пределах объема настоящего изобретения. Кроме того, многие модификации могут быть выполнены для адаптации конкретной ситуации или материала к идеям изобретения, без отхода от его основной сущности. Таким образом, подразумевается, что настоящее изобретение не ограничивается конкретным вариантом выполнения, раскрытым в качестве наилучшего режима осуществления настоящего изобретения, а что изобретение будет включать все варианты выполнения, попадающие в объем прилагаемой формулы изобретения.