СИСТЕМА УПЛОТНЕНИЯ ДЛЯ ТЕПЛОВОЙ МАШИНЫ
SEALING SYSTEM FOR THERMAL MACHINE

Область техники
Изобретение касается области деталей машин в связи с тепловыми машинами. Оно касается системы уплотнения согласно ограничительной части п.1 формулы изобретения.
Уровень техники
В тепловых машинах, таких как, например, газовые турбины, или электромеханические машины, такие как, например, генераторы, охлаждение испытывающих тепловую нагрузку конструктивных элементов является важным параметром для общего коэффициента полезного действия и срока службы системы. В большинстве случаев охлаждающей средой является охлаждающий воздух; но возможно также использование для той же цели пара из парогенератора. Описанное ниже изобретение применимо соответственно ко всем охлаждающим средам, независимо от источника снабжения, однако поясняется на примере охлаждаемой воздухом газовой турбины.
В газовой турбине воздух сжимается центробежным или осевым компрессором с давления окружающей среды до номинального давления. После охлаждения горячих частей камеры сгорания основная часть сжатого воздуха используется для сжигания горючего в камере сгорания. Остаток сжатого воздуха забирается в одном или нескольких местах вдоль компрессора или в конце него и направляется по каналам охлаждения к горячим частям газовой турбины. В турбине охлаждающее средство используется для внутреннего и наружного охлаждения компонентов турбины, таких как, например, направляющие лопатки и рабочие лопатки. Дополнительно охлаждающее средство уменьшает рабочую температуру не вращающихся и вращающихся конструктивных элементов, таких как, например, ножки лопаток или диски ротора, которые подвержены воздействию больших центробежных сил.
Часть воздуха используется также для целей уплотнения, в частности между вращающимися и стационарными частями, при этом воздух продувается через зазор в канал для горячих газов турбины, чтобы препятствовать входу горячего газа и вместе с тем локальному перегреву. Уплотнение играет важную роль в эффективном распределении и управлении охлаждающим воздухом. Однако из-за механических и тепловых напряжений и теплового расширения компонентов во время эксплуатации размеры зазоров, подлежащих уплотнению, изменяются. В состоянии останова машины каждый вращающийся и невращающийся компонент смонтирован с другими частями с учетом допусков на изготовление и монтаж, а также ожидаемой механической и тепловой деформации конструктивных элементов. Образующиеся при этом холодные зазоры при эксплуатации обеспечивают возможность беспрепятственного теплового расширения и обусловленной вращением деформации конструктивных элементов, причем возникающие в результате зазоры, так называемые горячие зазоры, никогда не принимают неприемлемо малых величин. Беспрепятственные расширения и деформации предотвращают у каждого конструктивного элемента механические дефекты на границе с другими конструктивными элементами.
В условиях эксплуатации, независимо от тепловой и механической нагрузки каждого конструктивного элемента, возникающие в результате горячие зазоры, по сравнению с состоянием останова машины, могут становиться меньше или больше холодных зазоров.
Пример таких изменений у газовой турбины изображен на фиг.1-3. На фиг.1 показана на фрагменте характерная система рабочих и направляющих лопаток в газовой турбине, включая расположенные между конструктивными элементами уплотнения, здесь для примера выполненные в форме полос. Газовая турбина 10, показанная на фиг.1, включает в себя ротор 11, который укомплектован рабочими лопатками 13 и окружен корпусом турбины или держателем направляющих лопаток 12. Рабочие лопатки 13 включают в себя (внутреннюю) платформу 14 (14'), под которой лопатка переходит в хвостовик 15, на конце которого расположена ножка 16 лопатки, которой рабочая лопатка 13 закреплена в роторе 11. На корпусе турбины или держателе 12 направляющих лопаток установлены направляющие лопатки 18, которые включают в себя (наружную) платформу 19. Рабочие стороны 13, 18 рабочих и направляющих лопаток находятся в канале для горячих газов турбины.
Для уплотнения относительно канала для горячих газов предусмотрены уплотнения (фиг.2), здесь для примера выполненные в виде уплотнительных полос 20, 21 (фиг.2), которые проходят в осевом направлении (ось z на фиг.2) и в окружном направлении (ось u на фиг.2), но могут распространяться и в радиальном направлении, и расположены между соседними платформами 14 (14') лопаток или, соответственно, лопатками и соседними теплозащитными экранами 13, 17 или, соответственно, сегментами кольца, а также между соседними теплозащитными экранами (если имеются). Как показано на фиг.3a, уплотнительные полосы 21 располагаются поперек зазора 22 между платформами 14 и 14' соседних конструктивных элементов в соответствующей выемке 23.
Как показано для примера на фиг.3b, при эксплуатации зазор между рабочими лопатками каждой ступени турбины растет. Под воздействием центробежных сил рабочие лопатки расширяются в радиальном направлении, в результате чего увеличивается зазор c в окружном направлении между платформами лопаток.
0
0
Это увеличение зазора в окружном направлении частично компенсируется тепловым расширением платформ лопаток. В зависимости от массы лопаток и рабочей температуры тепловые деформации платформ обычно меньше, чем деформации лопаток, вызываемые вращением. Поэтому зазор c между платформами длинных лопаток в окружном направлении при эксплуатации может быть либо больше, чем холодный зазор c в состоянии останова машины (фиг.3a), либо он может быть меньше, что обычно имеет место для невращающихся конструктивных элементов или легких рабочих лопаток, деформации которых в основном определяются тепловой нагрузкой. В общем случае зазоры при эксплуатации значительно варьируются в зависимости от механической и тепловой нагрузки вращающихся и невращающихся конструктивных элементов машины. Кроме того, радиус платформ 14, 14', который в состоянии останова имеет размер R (фиг.3a), во время эксплуатации может принимать другой размер R (фиг.3b).
Для пассивного регулирования зазоров во время эксплуатации машины во многих местах машины, показанной на фиг.2, выполнены осевые и проходящие в окружном направлении уплотнения 20, здесь для примера в виде полос или, соответственно, 21, которые препятствуют бесконтрольной утечке охлаждающего средства в канал для горячих газов турбины. Уплотнения 20, 21 в общем случае состоят из сплава, который подходит для условий эксплуатации машины.
Расположенные во вращающихся конструктивных элементах уплотнения прижимаются центробежными силами к платформам рабочих лопаток. Благодаря этому создается механический контакт между верхней стороной уплотнения 21 и наружными боковыми поверхностями уплотнительного паза 23 внутри платформ или теплозащитных экранов 14, 14', который схематично изображен на фиг.3b. Вследствие теплового расширения и обусловленных вращением деформаций эффективный горячий зазор c (фиг.3b) при эксплуатации может увеличиваться, в то время как ширина b уплотнения 21 из-за ее малых размеров относительно размера лопаток, ротора и теплозащитных экранов остается практически неизменной. Создаваемый механический контакт может ограничиваться на уплотнении узкой контактной поверхностью, что собственно не приводит к осуществлению уплотнения наилучшим возможным образом, и из-за локальных деформаций платформы может даже приводить к нежелательным или повышенным утечкам.
В уровне техники уже обдумывалось точное управление условиями уплотнения в тепловых машинах путем применения сплавов с эффектом запоминания формы.
Из публикации US 2007/0243061 известна система, состоящая из ротора и статора турбины, в которой попеременно расположены лопатки ротора с рабочей поверхностью лопатки и (внутренней) платформой и лопатки статора с рабочей поверхностью лопатки и (внутренней) платформой. Между платформами лопаток ротора и платформами лопаток статора предусмотрено уплотнение, при этом платформы лопаток ротора и/или лопаток статора в области уплотнения частично состоят из сплава с эффектом запоминания формы, чтобы управлять потоком охлаждающего воздуха посредством уплотнения в зависимости от температуры. Такое управление посредством самих платформ является чрезвычайно сложным при изготовлении и выборе размеров, потому что сами лопатки состоят из различного материала и должны изготавливаться соответствующим образом.
В публикации US 7086649 B2 описано кольцеобразное уплотнение, предназначенное для применения между двумя частями, вращающимися относительно друг друга. Уплотнение включает в себя участок, который может сгибаться для изменения уплотнительного зазора. Такой участок может состоять из биметалла или сплава с эффектом запоминания формы, чтобы изменять ширину зазора в зависимости от температуры.
Из публикации JP 58206807 известно устройство, служащее для управления зазором между вершиной рабочей лопатки и противоположной стенкой осевой турбины, в котором управление радиальным положением стенки осуществляется посредством перемещающей стенку спиральной пружины из сплава с эффектом запоминания формы.
Описанные вначале уплотнения не являются предметом известных предложений.
Сущность изобретения
Задачей изобретения является создать систему уплотнения вышеназванного рода для тепловой машины, которая автоматически и принципиально просто учитывает изменяющиеся условия, когда зазоры в машине между состоянием останова и эксплуатацией изменяются.
Эта и другие задачи решаются с помощью совокупности признаков п.1 формулы изобретения.
Изобретение основано на системе уплотнения для уплотнения зазора между двумя соседними, испытывающими тепловую и/или механическую нагрузку конструктивными элементами тепловой машины, в частности турбомашины или газовой турбины, включающей в себя уплотнение, которое установлено в проходящей поперек зазора, пересекающей зазор, выемке. Она отличается тем, что уплотнение по меньшей мере частично состоит из сплава с эффектом запоминания формы, таким образом, что при превышении заданной предельной температуры его уплотнительные свойства изменяются, при этом уплотнение соответственно включает в себя по меньшей мере один первый компонент (в частности, горизонтальную полосу), который установлен в проходящей поперек зазора выемке, причем уплотнение также включает в себя по меньшей мере один второй компонент (в частности, вертикальную полосу), который проходит перпендикулярно горизонтальной полосе вдоль зазора, при этом по меньшей мере указанный по меньшей мере один второй компонент состоит из сплава с эффектом запоминания формы.
Один из вариантов осуществления предлагаемой изобретением системы уплотнения отличается тем, что по меньшей мере один из конструктивных элементов представляет собой рабочую лопатку ротора турбомашины.
По другому варианту осуществления оба конструктивных элемента являются рабочими лопатками ротора турбомашины.
Но возможно также, чтобы другой конструктивный элемент представлял собой теплозащитный экран (или сегмент кольца) ротора турбомашины.
Другой вариант осуществления изобретения отличается тем, что каждый из конструктивных элементов включает в себя платформу и что уплотнения между платформами расположены с прохождением в осевом и/или окружном, и/или радиальном направлении.
Особенно предпочтительно, если при этом уплотнение включает в себя два вторых компонента, которые проходят перпендикулярно первому компоненту вдоль зазора, если оба вторых компонента состоят из сплава с эффектом запоминания формы, и если оба вторых компонента выполнены таким образом, что они при превышении заданной предельной температуры приходят в соприкосновение с противоположными стенками зазора с обеспечением уплотнения. Благодаря этому могут быть достигнуты дополнительные уплотнительные действия, кроме действия первого компонента.
Одно из усовершенствований этого варианта осуществления отличается тем, что вторые компоненты проходят от первого компонента по существу в одну сторону за пределы выемки в зазор и там при превышении заданной предельной температуры образуют второе уплотнение.
Второе усовершенствование этого варианта осуществления отличается тем, что вторые компоненты проходят от первого компонента в противоположные стороны за пределы выемки в зазор и там при превышении заданной предельной температуры образуют второе и третье уплотнение.
Первый компонент может при этом состоять из металлического сплава, например стали.
Возможно также, чтобы первый компонент состоял из сплава с эффектом запоминания формы. Таким образом первый компонент может также способствовать управлению уплотнительными свойствами.
Другой вариант осуществления изобретения отличается тем, что предусмотрены два первых компонента из сплава с эффектом запоминания формы, которые при превышении заданной предельной температуры приходят в соприкосновение с противоположными стенками выемки с обеспечением уплотнения. Благодаря этому могут быть еще более улучшены управляемые уплотнительные свойства.
Другое усовершенствование может быть достигнуто, когда по другому варианту осуществления изобретения для улучшения уплотнительных свойств состоящие из сплава с эффектом запоминания формы первые и/или вторые компоненты снабжены утолщениями (в частности, боковыми валиками).
Наконец, в рамках изобретения возможно, чтобы уплотнение соответственно включало в себя по меньшей мере один первый компонент, который установлен в проходящей поперек зазора выемке, чтобы первый компонент был снабжен пропускным отверстием и чтобы пропускное отверстие было закрыто полосовым клапаном из сплава с эффектом запоминания формы, таким образом, чтобы он при превышении заданной предельной температуры открывал пропускное отверстие. Таким образом в случае высокой тепловой нагрузки возможно целенаправленное локальное изменение охлаждения.
Краткое пояснение чертежей
Ниже изобретение поясняется более подробно на примерах осуществления со ссылкой на чертежи, где показано:
фиг.1: на фрагменте характерная система рабочих и направляющих лопаток в газовой турбине, включая расположенные между конструктивными элементами уплотнения, здесь для примера выполненные в виде полос;
фиг.2: сечение рабочей лопатки, показанной на фиг.1, по плоскости A-A;
фиг.3: свойства традиционной уплотнительной полосы, расположенной между соседними рабочими лопатками, или, соответственно, рабочими лопатками и соседним теплозащитным экраном в состоянии останова турбины и при комнатной температуре (фиг.3a), а также при номинальной скорости и рабочей температуре (фиг.3b);
фиг.4: свойства двукратно уплотняющей системы уплотнения по одному из примеров осуществления изобретения, расположенной между соседними рабочими лопатками, или, соответственно, рабочими лопатками и соседним теплозащитным экраном в состоянии останова турбины и при комнатной температуре (фиг.4a), а также при номинальной скорости и рабочей температуре (фиг.4b);
фиг.5: свойства трехкратно уплотняющей системы уплотнения по другому примеру осуществления изобретения, расположенной между соседними рабочими лопатками, или, соответственно, рабочими лопатками и соседним теплозащитным экраном, в состоянии останова турбины и при комнатной температуре (фиг.5a), а также при номинальной скорости и рабочей температуре (фиг.5b);
фиг.6: свойства четырехкратно уплотняющей системы уплотнения по другому примеру осуществления изобретения, расположенной между соседними рабочими лопатками, или, соответственно, рабочими лопатками и соседним теплозащитным экраном в состоянии останова турбины и при комнатной температуре (фиг.6a), а также при номинальной скорости и рабочей температуре (фиг.6b); и
фиг.7: свойства системы уплотнения с функцией клапана по другому примеру осуществления изобретения, расположенной между соседними рабочими лопатками, или, соответственно, рабочими лопатками и соседним теплозащитным экраном в состоянии останова турбины и при комнатной температуре (фиг.7a), а также при номинальной скорости и рабочей температуре (фиг.7b).
Осуществление изобретения
Существенный пункт настоящего изобретения заключается в том, чтобы изготавливать уплотнение целиком или частично из сплава с эффектом запоминания формы (сплав с эффектом запоминания формы СЗФ). Выше заданной предельной температуры, которая может быть ниже, чем номинальная температура, или при непрерывно повышающейся рабочей температуре, часть уплотнения, состоящая из сплава с эффектом запоминания формы, активируется и автоматически изменяет или, соответственно, улучшает уплотнительные свойства. Деформации усадки, растяжения, скручивания и изгиба сплава с эффектом запоминания формы создают механизм, служащий для улучшения уплотнительных свойств у простой, например, изготовленной из стали системы уплотнения, которая показана на фиг.3 в виде уплотнительной полосы 21.
На фиг.4 показан пример системы уплотнения, предлагаемой изобретением, которая основана на уплотнительной полосе 25, включающей в себя горизонтальную полосу 26 (первый компонент) из традиционного уплотнительного материала. С помощью этой горизонтальной полосы 26 соединены две распространяющихся параллельно вниз вертикальные полосы 27 (вторые компоненты) из сплава с эффектом запоминания формы. Горизонтальная полоса 26, аналогично уплотнительной полосе 21 на фиг.3a, размещена в выемке 23, расположенной поперек зазора 22 (фиг.4a). При эксплуатации выше предельной температуры или при повышающейся рабочей температуре вертикальные полосы 27 сгибаются наружу соответственно в направлении соседней платформы 14 или, соответственно, 14', чтобы там прийти в соприкосновение друг с другом в механическом контакте с обеспечением уплотнения (фиг.4b). Чтобы усилить этот деформационный процесс, на концах вертикальных полос 27 могут быть расположены боковые валики 28, которые интенсифицируют деформацию, обеспечивающую контакт. Вертикальные полосы 27 являются достаточно длинными для того, чтобы обеспечивать необходимую упругость спаренной системы платформы и уплотнения. Эта упругость гарантирует, что между лопатками и уплотнениями даже при вибрациях в ступени турбины будет обеспечиваться постоянный контакт. Приходящие в соприкосновение друг с другом, осуществляя уплотнение, как показано на фиг.4b, вертикальные полосы 27 создают наряду с горизонтальными полосами 26 второе уплотнение, так что система уплотнения, показанная на фиг.4, в отличие от одноступенчатого уплотнения, показанного на фиг.3, представляет собой двухступенчатую систему уплотнения.
Для создания трехступенчатой системы уплотнения горизонтальная полоса 26, показанная на фиг.5, может изготавливаться из сплава с эффектом запоминания формы. При температуре выше предельной или при постоянно повышающейся рабочей температуре горизонтальная полоса 26 уплотнительной полосы 30 растягивается в противоположных направлениях, чтобы лучше охватывать увеличивающийся зазор c (фиг.5b). Одновременно две вертикальные полосы 27 из сплава с эффектом запоминания формы следуют расширению 29 горизонтальной полосы 26 и разделяются в направлении граничащих платформ 14 и 14'. Центробежные силы, которые действуют на боковые валики, находящиеся на верхних концах двух вертикальных полос 27, сгибают их наружу. Это сгибание создает механические контакты с верхними участками граничащих платформ 14 и 14', как это изображено на фиг.5b. Свойства изгиба и расширения сплава с эффектом запоминания формы позволяют, таким образом, получить трехступенчатую систему уплотнения с помощью только одной уплотнительной полосы 30.
В предыдущих пояснениях не рассматривались подробно технологии соединения отдельных полос 26 и 27 между собой. Однако для изготовления предлагаемой системы уплотнения могут применяться все возможные технологии соединения. Отдельно поясненные конфигурации уплотнительных полос должны также пониматься только как примеры, при этом уплотнения могут также состоять из элементов или, соответственно, компонентов, не имеющих форму полосы. Другие конфигурации системы уплотнения являются возможными в рамках изобретения и могут включать в себя другие механизмы деформации сплава с эффектом запоминания формы, а также выполненные в другой форме выполнения и комбинации из разных геометрических форм, которые срабатывают под действием тепловой, механической или другой нагрузки. Так, фиг.6 иллюстрирует, например, систему уплотнения, включающую в себя уплотнительную полосу 31, у которой две горизонтальные полосы 26a и 26b из сплава с эффектом запоминания формы при тепловой нагрузке выше предельной температуры или при постоянно повышающейся рабочей температуре сначала расширяются (расширение 29 на фиг.6b), а затем сгибаются в противоположных радиальных направлениях. Таким образом обеспечивается дополнительная четвертая ступень уплотнения между соседними лопатками.
0
Применяемый сплав с эффектом запоминания формы может состоять из разных металлургических соединений разных элементов и быть изготовленным различным образом. Температура и/или зависящее от условий эксплуатации машины механическое изменение инициируют процесс изменения геометрии полосы из сплава с эффектом запоминания формы, который зависит от изготовления сплава с эффектом запоминания формы. В случае уменьшения холодного зазора c учитывается свойство усадки полосы из сплава с эффектом запоминания формы, причем вместо описанного здесь расширения.
Предлагаемая система уплотнения, работающая со сплавом с эффектом запоминания формы (СЗФ), может также применяться во всех других машинах, где необходим активный контроль утечек. Так, такая система уплотнения может применяться, например, в криогенном оборудовании, таком как, например, ожижители гелия или водорода, или, например, холодильных установках с рабочими температурами ниже точки замерзания. В этом случае основным механизмом управления активным контролем утечек посредством системы уплотнения является уменьшение рабочей температуры.
Система уплотнения с СЗФ, предлагаемая изобретением, может также снабжаться дополнительными необходимыми свойствами. При температуре выше допустимой система уплотнения с СЗФ может, например, открываться, чтобы снабжать перегретую область выбранного конструктивного элемента увеличенным количеством охлаждающего средства. Такая система может располагаться в каналах охлаждения машины или внутри каналов охлаждения горячего конструктивного элемента. Другая необходимая функция такой системы уплотнения с СЗФ может заключаться в том, чтобы открываться при температуре выше допустимой, которая превышается вследствие входа горячего газа, чтобы, например, предотвращать локальный перегрев платформы лопаток или другого конструктивного элемента, а также самой системы уплотнения. Такая функция предотвращает разрушение системы уплотнения от самостоятельного открытия.
Система уплотнения может изменяться, реагируя на слишком высокую температуру металла платформы или слишком высокую температуру газа, обусловленную потоком горячего газа (39 на фиг.7b), например, между верхней стороной теплозащитного экрана (37 на фиг.7) и вершиной направляющей лопатки (18 на фиг.7). В качестве одной из многих возможных конфигураций на фиг.7 показана для примера система уплотнения, включающая в себя уплотнительную полосу 32, которая обладает такими необходимыми свойствами. При температуре выше предельной дает усадку полосовой клапан 36, который в состоянии останова машины закрывает отверстие 34 в находящейся под ним основной полосе или, соответственно, горизонтальной полосе 33 (из стали), и открывает это (предпочтительно шлицевое) отверстие 34, чтобы впустить беспрепятственный поток охлаждающего средства в горячий канал лопатки. Верхняя часть вертикальной полосы 35 из сплава с эффектом запоминания формы сгибается, чтобы направить поток 38 охлаждающего воздуха к перегретым областям платформы 14 и рабочей лопатки 13. Одновременно согнутая вертикальная полоса 35 отклоняет поток 39 горячего газа от перегретой области. Последнее названное свойство может также применяться в связи с горизонтальной полосой из стали без отверстия 34. Тогда перегретая область защищается согнутой вертикальной полосой, при этом поток 39 горячего газа отклоняется в направлении верхней части лопатки.
В целом изобретением обеспечиваются следующие дополнительные свойства и преимущества:
- система уплотнения может применяться в разных машинах, соседние конструктивные элементы которых при эксплуатации расширяются различным образом вследствие различных монотонных и/или циклических нагрузок между состоянием останова, частичной нагрузки, номинальной нагрузки и/или перегрузки;
- система уплотнения может, в зависимости от потребности, усиливать уплотнение или открываться;
- система уплотнения может применяться между соседними конструктивными элементами из одного и того же или различного материала;
- система уплотнения может улучшать уплотнительные свойства;
- система уплотнения может действовать в качестве аварийного клапана, который способствует дополнительному охлаждению перегретой области защищенного конструктивного элемента, когда система превышает предел температуры, давления, центробежной нагрузки или другого параметра;
- благодаря этому увеличивается срок службы соответствующих конструктивных элементов;
- обусловленный этим повышенный расход охлаждающего средства машины может использоваться в качестве параметра для контроля и при необходимости отключения машины.
Перечень позиций
10 Газовая турбина (турбомашина)
11 Ротор
12 Корпус турбины
13 Рабочая лопатка
14, 14', 19 Платформа
15 Хвостовик
16 Ножка лопатки
17 Соседняя лопатка (или теплоизоляционный щит)
18 Направляющая лопатка
20, 21 Уплотнение
22 Зазор
23 Выемка (паз)
24 Канал для горячего газа
25, 30, 31 Уплотнение
26, 26a,b Компонент (например, горизонтальная полоса)
27 Компонент (например, вертикальная полоса)
28 Утолщение (например, боковой валик)
29 Расширение
32 Уплотнение
33 Компонент (например, основная полоса/горизонтальная полоса)
34 Пропускное отверстие
35 Компонент (например, вертикальная полоса)
36 Полосовой клапан
37 Теплоизоляционный щит
38 Поток охлаждающего воздуха
39 Поток горячего газа
b Ширина
0
c Холодный зазор
c Горячий зазор
u Окружное направление
r Радиальное направление
0
R, R, R' Радиус
z Осевое направление