УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОБЕСПЕЧЕНИЯ УПЛОТНЕНИЯ МЕЖДУ КОАКСИАЛЬНЫМИ ВАЛАМИ ТУРБОМАШИНЫ
DEVICE TO PROVIDE SEAL BETWEEN COAXIAL SHAFTS OF TURBOMACHINE

Настоящее изобретение относится к области турбомашин и уплотнительных систем между двумя коаксиальными вращающимися валами.
Более конкретно, настоящее изобретение относится к динамическому уплотнительному устройству, выполненному между двумя коаксиальными вращающимися валами турбомашины.
В турбомашине необходимо определять и изолировать кожух, окружающий механический элемент, такой как подшипник или зубчатое колесо, обеспеченный между двумя вращающимися валами, например, такими как ротор высокого давления и ротор низкого давления. В этом кожухе для смазки и охлаждения механического элемента впрыскивается масло. Для изоляции кожуха между обоими вращающимися валами требуется, в частности, уплотнительное устройство.
В этом типе применения известно использование бесконтактных уплотнительных устройств. Однако для бесконтактных уплотнительных устройств лабиринтного типа требуется высокая скорость потока воздуха, и иногда бывает трудно достичь создания желательного избыточного давления кожуха. Кроме того, в кожухе образуется воздушно-масляная смесь, при этом требуется удалять масло из устройства перед выпуском воздуха. Таким образом, трудно достичь компромисса, и эти уплотнительные устройства не всегда обеспечивают возможность достижения рабочих характеристик, к которым стремятся. Наконец, этот тип уплотнения требует обеспечения удаления масла из устройства, которое является дорогостоящим, громоздким и тяжелым из-за высокой скорости пропитанного маслом воздушного потока, подлежащего очищению.
Также известно использование уплотнительных устройств с контактом или уплотнение между валами типа графитового уплотнения, или даже типа щеточного уплотнения. Однако эти устройства являются хрупкими и имеют высокую степень риска расхождения осей при нагревании в случае контакта между уплотнением и прилегающими металлическими кольцами или стеклянными пластинками, в частности, во время фаз прямого поворота, то есть во время относительного осевого смещения.
В этом контексте настоящее изобретение направлено на обеспечение уплотнительного устройства, выполненного с возможностью работы с валами, вращающимися в одном направлении, или валами, вращающимися в противоположном направлении, которое позволяет разрешить вышеупомянутые проблемы.
Исходя из этого, изобретение предлагает устройство для обеспечения уплотнения между коаксиальными валами турбомашины, включающее в себя кольцевое уплотнение, способное выполнять уплотнение путем контакта с наружным валом, причем упомянутое устройство отличается тем, что оно включает в себя смазочное средство, способное производить смазку области контакта между кольцевым уплотнением и наружным валом.
Таким образом, устройство в соответствии с изобретением обеспечивает возможность объединять преимущества уплотнительного устройства с контактом (хорошие рабочие характеристики) со смазкой контакта, позволяющей избавиться от износа или рисков расхождения осей при нагревании в области контакта.
Устройство для обеспечения уплотнения между коаксиальными валами турбомашины в соответствии с изобретением также может иметь одну или несколько из приведенных ниже характеристик, рассматриваемых отдельно или в соответствии со всеми технически осуществимыми комбинациями:
- контакт между упомянутым кольцевым уплотнением и упомянутым наружным валом обеспечен с помощью упругого средства и/или гидравлического средства;
- упомянутое гидравлическое средство образовано цилиндром, взаимодействующим со множеством поршней таким образом, чтобы оказывать механическое воздействие на упомянутое кольцевое уплотнение;
- поршни выполнены за одно целое с упомянутым кольцевым уплотнением;
- гидравлическое давление, оказываемое на упомянутое множество поршней, производится путем центрифугирования рабочей жидкости гидравлической системы внутри упомянутого цилиндра;
- часть из упомянутого множества поршней или все из упомянутого множества поршней имеют впускные отверстия, способные подавать рабочую жидкость гидравлической системы в область контакта между кольцевым уплотнением и наружным валом;
- упомянутое кольцевое уплотнение включает в себя впускные отверстия, расположенные напротив впускных отверстий поршней;
- устройство включает в себя упругий участок, обеспечивающий уплотнение между упомянутым кольцевым уплотнением и упомянутым внутренним валом.
Одной из целей настоящего изобретения также является обеспечение турбомашины, включающей в себя ротор низкого давления и ротор высокого давления, отличающейся тем, что она включает в себя уплотнительное устройство в соответствии с изобретением для выполнения уплотнения кожуха, окружающего механический элемент между упомянутым валом низкого давления и упомянутым валом высокого давления.
Одной из целей настоящего изобретения также является обеспечение способа закрепления двух коаксиальных вращающихся валов (турбомашины, включающей в себя уплотнительное устройство в соответствии с изобретением, способное выполнять уплотнение кожуха, окружающего механический элемент между упомянутыми двумя вращающимися валами, причем упомянутый способ включает в себя этапы
- закрепления первой части наружного вала вокруг упомянутого внутреннего вала, при этом упомянутая первая часть содержит средство для укрепления упомянутой первой части на основной части наружного вала;
- монтажа упомянутого уплотнительного устройства на упомянутом внутреннем валу;
- блокировки в осевом направлении упомянутой первой части наружного вала;
- скрепления основной части упомянутого наружного вращающегося вала с внутренним вращающимся валом,
- укрепления упомянутой первой части наружного вала с упомянутой основной частью наружного вала;
- разблокирования в осевом направлении упомянутой первой части;
- регулирования закрепления таким образом, чтобы расположить упомянутый наружный вал в его рабочем положении.
Предпочтительно, этап блокировки в осевом направлении выполняют посредством первого гребневидного ребра, выполненного на упомянутом наружном валу, взаимодействующего со вторым гребневидным ребром, выполненным на упомянутом цилиндре, образующем байонетную систему.
Дополнительные характеристики и преимущества настоящего изобретения станут более понятными из описания, приведенного ниже в качестве иллюстрации и никоим образом не для ограничительных целей, со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:
- фиг. 1 схематически иллюстрирует общий вид устройства для обеспечения уплотнения между коаксиальными валами в соответствии с изобретением, которое расположено в его среде между внутренним валом и наружным валом турбомашины;
- фиг. 2 иллюстрирует детализированное представление уплотнительного устройства в соответствии с изобретением, позволяющего обеспечить уплотнение кожуха, включающего в себя механический элемент, иллюстрируемый на фиг. 1;
- фиг. 3-10 схематически иллюстрируют различные этапы способа монтажа упомянутого уплотнительного устройства согласно изобретению в турбомашине, включающей в себя вращающийся вал низкого давления и вращающийся вал высокого давления;
- фиг. 11 иллюстрирует принцип действия байонетной системы, используемой для сборки двух вращающихся валов после установления уплотнительного устройства в требуемом положении.
На всех чертежах общие элементы обозначены одинаковыми позиционными обозначениями, если не указано иное.
Фиг. 1 представляет общий вид уплотнительного устройства 20, расположенного у кожуха 15, окружающего механический элемент 16, обеспеченный между внутренним вращающимся валом 11 и наружным вращающимся валом 12. Фиг. 2 представляет более подробный вид кожуха 15 и уплотнительного устройства, иллюстрируемых на фиг. 1.
В примерном варианте осуществления, иллюстрируемом на фиг. 1 и 2, внутренний вращающийся вал 11 представляет собой ротор турбины высокого давления турбомашины, а наружный вращающийся вал 12 является ротором турбины низкого давления турбомашины.
Уплотнительное устройство 20 в соответствии с изобретением включает в себя:
- цилиндр 21, прикрепленный к внутреннему валу 11, и более конкретно, к шейке 13 вала ротора высокого давления, в соответствии с вариантом осуществления, иллюстрируемом на фиг. 1;
- уплотнительное средство 23, образованное уплотнением кольцеобразной формы, расположенным концентрически относительно внутреннего вала 11;
- упругое средство 24, например, такое как компрессионные шнуры, способные оказывать механическое воздействие на уплотнительное средство 23;
- поршни 22, распределенные по окружности кольцевого уплотнения 23, выполненного между цилиндром 21 и уплотнительным средством 23 таким образом, что поршни, приводимые в действие цилиндром 21, оказывают механическое воздействие на уплотнительное средство 23;
- кольцеобразной участок 25, обеспечивающий возможность ограничивать утечки рабочей жидкости гидравлической системы на краю кольцевого уплотнения 23 между кольцевым уплотнением 23 и шейкой 13 внутреннего вала 11.
В соответствии с вариантом осуществления изобретения, иллюстрируемом на фиг. 1 и 2, кольцеобразной участок 25 выполнен в кольцевой канавке, обеспеченной с этой целью в шейке 13 вала. В этом преимущественном расположении кольцеобразный участок 25 не требует особого предварительного напряжения, поскольку участок расширяется под действием центробежной силы, таким образом гарантируя уплотнение между кольцевым уплотнением 23 и шейкой 13 вала.
В процессе работы все уплотнительное устройство 20 вращается со скоростью вращения внутреннего вала 11. Таким образом, напряжения только от силы трения, которым подвергается кольцеобразной участок 25 и которые обусловлены относительным осевым смещением между обоими вращающимися валами, не производит нагревание. Эти осевые смещения обычно называют «прямой поворот» в области турбомашин, и они соответствуют относительному осевому смещению между ротором высокого давления и ротором низкого давления во время переходных эксплуатационных фаз турбомашины.
Кольцевое уплотнение 23 является металлическим уплотнением или графитовым уплотнением.
Кольцевое уплотнение 23 имеет множество распределенных по окружности глухих рассверленных отверстий 31, при этом каждое из упомянутых рассверленных отверстий выполнено с возможностью приема поршня 22. Диаметр рассверленных отверстий выполнен с возможностью обеспечения прессового соединения с поршнями 22, чтобы закреплять и кинематически соединять поршни 22 с кольцевым уплотнением 23.
Наружная стенка 36 кольцевого уплотнения 23 способна вступать в контакт с первой кольцеобразной стенкой 17a, образующей элемент фланца 17 наружного вала 12 и ограничивающей кожух 15 для выполнения уплотнения этого кожуха 15; при этом фланец 17 включает в себя первую кольцеобразную стенку 17a и вторую кольцеобразную стенку 17b.
Наружная стенка 36 кольцевого уплотнения 23 поддерживается вплотную к кольцеобразному фланцу 17a давлением поршней 22, которые приводятся в действие путем центрифугирования рабочей жидкости гидравлической системы в цилиндре 21 при работе турбомашины и упругим средством 24, таким как шнуры, расположенные между кольцевым уплотнением 23 и цилиндром 21, чтобы гарантировать постоянный контакт между уплотнением 23 и первым фланцем 17a во время фаз выключения турбомашины, в частности, когда давление масла, оказываемое на поршни 22, является слишком низким.
Фиксатор 26 обеспечен в нижней части цилиндра 21, чтобы гарантировать постоянный запас масла. Этот запас масла пополняется специализированным маслом, и оно перемещается, например, по внутреннему кольцу роликового подшипника в области действия в турбомашине, как иллюстрируется на фиг. 1-2.
Количество поршней 22 можно корректировать таким образом, чтобы сбалансировать продольные механические напряжения на кольцевом уплотнении 23, принимая во внимание:
- давление воздуха выше по потоку и ниже по потоку;
- воздействие упругого средства 24;
- сопротивление смещению кольцевого уплотнения 23, производимое, в частности, трением соединения участка - кольцевого уплотнения.
Поршни 22 предпочтительно имеют такие размеры, чтобы гарантировать постоянный контакт между кольцевым уплотнением 23 и первой кольцеобразной стенкой 17a во всех рабочих ситуациях турбомашины, в том числе во время переходных процессов, и таким образом, чтобы как можно меньше генерировать тепловую энергию за счет трения уплотнения 23 по первой кольцеобразной стенке 17a.
Все или часть поршней 22 имеют в своей конструкции рассверленные отверстия, проходящие в продольном направлении через конструкцию поршня 22, чтобы образовать внутренний канал, способный подавать поток рабочей жидкости гидравлической системы от цилиндра 21 к области контакта между кольцевым уплотнением 23 и кольцеобразным фланцем 17a через инжекторы, обеспеченные на конце поршней 22. С этой целью стенка, образующая нижнюю часть глухих отверстий 31, имеет впускное отверстие напротив рассверленных отверстий 33 поршней 22, сообщающихся с кольцевой канавкой 35, выполненной на наружной стенке 36.
Такая конструкция позволяет рабочей жидкости гидравлической системы протекать от цилиндра 21 к наружной стенке 36, таким образом обеспечивая постоянное смазывание области контакта, создавая масляную пленку по периферии кольцевого уплотнения 23.
Смазывание области контакта также дает возможность обеспечивать постоянное охлаждение этой области между кольцевым уплотнением 23 и первой кольцеобразной стенкой 17a, таким образом предотвращая преждевременный износ уплотнительного устройства 20.
Радиальное расположение глухих отверстий 31 относительно оси вращения кольца, соответствует диаметру внедрения поршней 22 в цилиндре 21.
Другая часть масла, выходящего из поршней 22, просачивается по зазору, имеющемуся между поршнями 22 и цилиндром 21, гарантируя смазывание между обеими частями, в частности, во время относительных смещений из-за прямых поворотов во время переходных процессов.
Все масло выделяется на конической стенке 17c в результате действия центробежной силы и выпускается в обычную систему регенерации масла кожуха 15, образованную трубопроводом в нижней части кожуха, соединенного с насосом регенерации.
Чтобы возвратить возможные утечки масла, которые могут происходить от соединения участка/уплотнения однородного соединения уплотнения/фланца, первая кольцеобразная стенка 17a и вторая кольцеобразная стенка 17b образуют резервуар 28 регенерации масла. Этот резервуар 28 регенерации расположен выше по потоку от уплотнительной системы 20. В нижней части этого резервуара 28 регенерации первая кольцеобразная стенка 17a включает в себя по меньшей мере одно рассверленное отверстие 29 в месте соединения между первой кольцеобразной стенкой 17a и конической стенкой 17c, позволяющее эти утечки вновь вводить в кожух 15. Внутренний диаметр второй кольцеобразной стенки 17b (то есть ее диаметр отверстия) меньше, чем внутренний диаметр первой кольцеобразной стенки 17a, так что вторая кольцеобразная стенка 17b играет роль перегородки канала регенерации утечек рабочей жидкости гидравлической системы при работе турбомашины. Предпочтительно, внутренний диаметр этой второй кольцеобразной стенки 17b должен быть доведен до минимума, насколько это возможно в зависимости от геометрических требований оборудования.
Коническая стенка 17c также имеет гребневидное ребро 37. Это ребро 37 используется для этапа монтажа и будет подробно описано ниже. Это гребневидное ребро 37, таким образом, имеет углубленные части по периферии конической стенки 17c, позволяющие маслу эффективно вытекать на эту стенку 17c. Чтобы дополнительно улучшить подачу масла на эту стенку, твердые части гребневидного ребра 37 могут иметь рассверленные отверстия.
Фиг. 3-10 иллюстрируют различные этапы монтажа уплотнительного устройства 20 в турбомашине, включающей в себя вал 11 высокого давления и вал 12 низкого давления.
Фиг. 3 иллюстрирует первый этап способа монтажа, заключающийся в установке участка 25 в кожухе, предназначенном для этой цели в находящейся ниже по потоку части шейки 13 вала 11 высокого давления.
Фиг. 4 иллюстрирует второй этап способа монтажа. Этот второй этап заключается во введении фланца 17 турбины низкого давления, включающего в себя кольцеобразные стенки 17a и 17b. Этот фланец снабжен выступами, которые позволяют собирать эту часть турбины низкого давления с модулем турбины низкого давления, чтобы образовывать весь вал низкого давления. Выступы 41 выполнены за одно целое с фланцем 17 с помощью гаек 42 и продолговатых рассверленных отверстий 43.
Фиг. 5 иллюстрирует третий этап способа монтажа, заключающийся в установке уплотнительного устройства 20.
Фиг. 6 иллюстрирует четвертый этап способа монтажа. Этот четвертый этап способа заключается в установке в заданное положение механического элемента 16 на валу высокого давления. В иллюстрируемом варианте осуществления механический элемент 16 образован подшипником n°4, выполненным за одно целое со средством гайки; таким образом, сборка образует весь модуль вала 11 высокого давления.
Фиг. 7 иллюстрирует пятый этап способа монтажа в соответствии с изобретением, заключающийся в фиксации положения фланца 17 посредством «байонетной» системы. Байонетная система образована гребневидным ребром 37, выполненным на конической стенке 17c фланца 17 вала 12 низкого давления, а также гребневидным ребром 27, выполненным на цилиндре 21.
Фиг. 11a и 11b более точно иллюстрируют принцип действия байонетной системы фиксации, образованной обоими гребневидными ребрами 37, 27 (представлены только два зубца, чтобы упростить чертеж).
Более точно, фиг. 11a представляет освобожденное положение системы, в котором фланец 17 вала 12 низкого давления является подвижным в осевом направлении относительно уплотнительного устройства 20; фиг. 11b представляет застопоренное положение устройства, в котором фланец 17 является заблокированным в осевом направлении относительно устройства 20.
Таким образом, на этом пятом этапе фиксации фланец 17 смещают в осевом направлении так, чтобы он вошел в зацепление в гребневидном ребре 27 цилиндра 21, действующем в качестве центрирующей детали. Как только он оказывается в зацеплении, небольшой поворот фланца 17 вдоль его оси вращения обеспечивает возможность переключения из освобожденного положения в застопоренное положение, иллюстрируемое на фиг. 11b, таким образом удерживая фланец 17 в осевом и радиальном направлении в правильном положении.
В застопоренном положении упругое средство 24 сжато.
Фиг. 8 иллюстрирует шестой этап способа, заключающийся в закреплении модуля турбины низкого давления, предварительно собранного и приведенного в равновесие на фланце 17, в правильном положении. С этой целью модуль имеет рассверленные отверстия, позволяющие закреплять модуль на фланце 17 с помощью выступов 41 и гаек. Таким образом, собранные модуль и фланец образуют вал 12 низкого давления целиком.
Фиг. 9 иллюстрирует седьмой этап, заключающийся в освобождении байонетной системы с помощью поворота вала 12 низкого давления в обратном направлении относительно направления поворота пятого этапа, и затем выведения из зацепления вала низкого давления с уплотнительным устройством посредством скольжения в осевом направлении, чтобы расположить его в нужном положении (в осевом положении). После смещения в осевом направлении вала 12 низкого давления упругое средство 24 расширяется и обеспечивает возможность прижатия кольцевого уплотнения 23 к первой кольцеобразной стенке 17a, как описано выше, обеспечивая уплотнение кожуха 15 сразу после того, как турбомашина запущена, но также и во время фаз выключения турбомашины.
Фиг. 10 иллюстрирует окончательное положение вращающихся валов, а также уплотнительного устройства 20.
Таким образом, устройство в соответствии с изобретением позволяет обеспечить эффективное и надежное уплотнение между двумя вращающимися деталями (например, валом высокого давления и валом низкого давления турбомашины) посредством обеспечения уплотнения за счет контакта, предлагая хорошие рабочие характеристики и постоянную смазку контакта, таким образом, избегая рисков нагревания и расхождения осей при нагревании.
Изобретение было описано главным образом с помощью вала высокого давления и вала низкого давления турбомашины; однако изобретение также применимо к другим коаксиальным вращающимся валам.
Устройство в соответствии с изобретением особенно подходит для использования с двумя вращающимися валами противоположного вращения, однако изобретение также применимо для использования с двумя вращающимися валами, которые вращаются в одном направлении.