Комбинированное уплотнение по валу турбомашины

Полезная модель относится к уплотнительной технике и может быть использована в концевых и диафрагменных уплотнениях валов турбомашин.
Известно, что ступенчатое уплотнение с гребнями является эффективным средством снижения утечек в уплотнениях, влияющих на КПД турбомашин, эффективность работы покрывных дисков нагнетателей, думмисов, насосов, а также в уплотняющих частях различных агрегатов между неподвижными и вращающимися элементами.
Использование сотовых уплотнений радиальных зазоров также успешно применяется на практике с паровых и газовых турбинах и других энергетических машинах.
Преимущества сотовых уплотнений в прямоточных каналах позволяет назначать минимальные зазоры в уплотнениях без ограничения осевых перемещений валов и корпусов агрегатов с сохранением надежности конструкции при возможных касаниях подвижных и неподвижных элементов.
Известны также газодинамические преимущества течения рабочей среды в щелевых уплотнениях с ячеечной структурой поверхностей каналов, (Буглаев, В.Т. Сотовые уплотнения в турбомашинах: монография / В.Т. Перевезенцев, С.В. Перевезенцев и др. - Брянск: БГТУ, 2006. - 192 с.) В данной статье рассмотрены особенности вихреобразования в замкнутых пространствах сотовых ячеек и взаимное влияние потоков в зазорах уплотнения и перфорированных стенках приводят к снижению утечки.
Уплотнительный эффект сотового уплотнения может быть усилен внешними турбулизаторами, например, за счет перегородок (гребней) на поверхности вращающегося ротора, бандажа и т.п (Речкоблит А.Я. Исследование эффективности некоторых типов бесконтактных уплотнительных устройств турбомашин / А.Я. Речкоблит, О.В. Авдеенко / Труды ЦИАМ №1035, 1982. - 8 с.) В данной статье наиболее близкое к предлагаемому решению уплотнение состоит из сотовой структуры на неподвижной стенке (статоре) и поверхности в виде поперечных перегородок на вращающемся роторе. Достигается значительный уплотняющий эффект, однако пропорционально возрастает затрата мощности на привод вращающегося элемента, затрачиваемая на периодический разгон в окружном направлении импульсирующего в ячейках сотового уплотнения рабочего тела.
Недостатком известных решений является наличие существенных утечек через зазор, образованный сотовым уплотнением на статоре и гладкой стенкой на роторе, что приводит к увеличению объемных потерь рабочего тела и снижению КПД ступени.
Уплотняющий эффект в зазоре во многом зависит от взаимодействия вихрей в пространстве сотовых ячеек и потока утечки. Интенсификация этого взаимодействия осуществляется за счет «смерчевых» вихрей, образующихся на вращающейся поверхности, противоположной сотовой, имеющей множество лунок, расположенных в определенной последовательности.
Особенности вихреобразования в замкнутых пространствах сотовых ячеек и взаимное влияние потоков в зазорах уплотнения и перфорированных стенках приводят к снижению утечки
Задача полезной модели - создание сопротивление потоку утечки в радиальных и концевых зазорах турбомашин путем изменения вектора скорости потока для интенсификации взаимодействия вихревых структур потока в щели между статором и ротором.
2
1
Указанная задача достигается тем, что комбинированное уплотнение по валу турбомашины, содержащее уплотняющую сотовую поверхность статора и ротор, отличающееся тем, что уплотняющая поверхность ротора выполнена ступенчато и расположена напротив сотовой уплотняющей поверхности статора с радиальным зазором δ=0,7 мм, а в промежутках между ступенями уплотняющей поверхности ротора в статоре установлен неподвижный уплотнительный гребень с радиальным зазором δ=0,5 мм.
Взаимодействие вихревых структур в пространстве сотовых ячеек и течением утечки в радиальном зазоре повышает уплотняющий эффект, который может быть усилен дополнительными турбулизаторами, например за счет профилирования поверхности вращающегося вала, генерирующего пульсации рабочего тела в сотовых ячейках.
Однако эффект сокращения утечек в зазорах связан с затратой мощности на привод его вращающегося элемента, например, насечки или перегородки на роторе.
В предлагаемой полезной модели комбинированного уплотнения снижение утечек рабочего тела происходит вследствие дополнительного воздействия вихревых потоков в сотовом уплотнении и ступенчатом вале ротора, имеющий ступенчатою поверхность в виду ступеней, с изменением направления вектора течения с помощью неподвижного гребня расположенном на статоре.
Конструкция уплотнения, создающая лабиринтное прохождение рабочей среды, в зазорах между уплотняющими элементами, использует особенность ступенчатого уплотнения и сотовой структуры с взаимным влиянием течения в радиальных зазорах и повышает экономичность и надежность турбомашины.
На фиг. 1 показан поперечный разрез уплотнения, на фиг. 2 векторное поле скоростей в продольном срезе течения в уплотнении, фиг. 3 показывает увеличение интенсивности турбулентности, чему соответствует нарастание чередования темных и светлых зон, а фиг. 4 является цветовой картой абсолютных скоростей потока.
Комбинированное уплотнение (фиг. 1) представляет собой ступенчатый ротор 1, имеющий ступенчатою поверхность в виду ступеней, сотовые уплотнения 2 и в промежутках между ступенями уплотняющей поверхности ротора 1 в статоре 3 установлен неподвижный уплотнительный гребень 4.
Неподвижный уплотнительный гребень 4 делит пополам промежутки между выступами так, что значительные осевые зазоры в расположении гребня не ограничивают осевое перемещение элементов уплотнения.
1
2
Комбинированное уплотнение содержит сотовую поверхность статора 2, которая охватывает с радиальным зазором δ=0,5 мм ступенчатую поверхность ротора 1. Неподвижный уплотнительный гребень 4, расположенный в промежутке между уступами вала с радиальным зазором δ=0,7 мм.
1
2
1
1
2
Особенностью полезной модели является назначение различных радиальных зазоров δ=0,5 мм и δ=0,7 мм с целью предотвращения касания ротором уплотнительного гребня 4 и увеличение зазора δ в процессе эксплуатации, т.к. радиальное перемещение ротора прежде всего приведет к контакту ступенчатого ротора 1 с сотовой поверхностью 2 в районе зазора δ. Центрирующий эффект и устойчивость сотовой структуры к деформации при касании элементов ротора предохраняет дальнейшее воздействие на гребень с возможным его разрушением или увеличением зазора δ.
Конкретные размеры зазоров находятся опытным путем (экспериментальными и численными методами) в зависимости от режимов параметров течения рабочего тела в уплотнении. Данное соотношение зазоров обеспечивает дополнительные вихревые потоки, что снижает утечки рабочего тела.
Схема и визуализация течения в комбинированном уплотнении показана фиг. 2, фиг. 3. фиг. 4. Визуализация течения в комбинированном уплотнении (фиг. 2, 3, 4) демонстрирует дополнительные вихревые потоки и их взаимное влияние, снижающее утечки рабочего тела.