ОСЕВОЕ УПЛОТНЕНИЕ ВАЛА
AXIAL SHAFT SEAL

Изобретение относится к турбомашине с установленным в корпусе вала валом ротора, по меньшей мере с одним расположенным на конце вала ротора в корпусе рабочего колеса радиальным рабочим колесом и с системой уплотнения между поперечным сечением потока корпуса рабочего колеса и охватывающим вал ротора внутри корпуса вала свободным пространством, причем система уплотнения имеет несколько расположенных на некотором расстоянии друг от друга элементов уплотнения, для отделения поперечного сечения потока от свободного пространства. Радиальное рабочее колесо служит для расширения или сжатия рабочей среды, причем поперечные сечения потока внутри корпуса рабочего колеса, в частности радиально направленное к рабочему колесу поперечное сечение потока, имеют другой уровень давления, чем в свободном пространстве, охватывающем вал ротора внутри корпуса вала.
Для предотвращения нежелательных течений рабочей среды через корпус вала, а также уменьшающих коэффициент полезного действия потерь давления, между поперечными сечениями потока корпуса рабочего колеса, с одной стороны, а также свободным пространством внутри корпуса вала, с другой стороны, обычно предусматривают систему уплотнения, расположенную на осевом участке вала. В частности, из практики известны уплотнения в виде щеточных уплотнений, торцевых уплотнений или лабиринтных уплотнений между валом ротора и корпусом вала на осевом участке вала. Для возможности такого выполнения вал ротора должен иметь достаточную длину внутри корпуса вала. Кроме того, в корпусе вала установлены подшипники и опционально-электрическая машина в виде двигателя или генератора.
Из документа DE 102004041439 A1 известна турбомашина для расширения или уплотнения газообразной или парообразной рабочей среды, имеющая охватывающее щеточное уплотнение в радиальном зазоре между задней стороной радиального рабочего колеса и соответствующей поверхностью корпуса. В варианте выполнения с описанными ранее признаками, в соответствии с которым предусмотрена система уплотнения с несколькими расположенными на некотором расстоянии друг от друга элементами уплотнения, дополнительно к охватывающему щеточному уплотнению на осевом участке предусмотрено лабиринтное уплотнение, причем примыкающее сбоку к радиальному рабочему колесу поперечное сечение потока отделено от охватывающего вал ротора внутри корпуса вала свободного пространства как посредством расположенного в зазоре щеточного уплотнения, так и расположенного на осевом участке вала лабиринтного уплотнения.
Из документа EP 1281836 B1, а также DE 102006049516 B3 известны турбомашины, в которых на задней стороне радиального рабочего колеса расположена камера рабочей среды, с возможностью подведения в нее уплотненной рабочей среды для коррекции осевых касательных усилий. Посредством подвода и сброса уплотненной рабочей среды можно изменять создаваемые зазором в качестве буфера опорные усилия. Для отделения этого зазора между задней стороной радиального рабочего колеса и корпусом, с одной стороны, а также осевым участком вала ротора, с другой стороны, необходима система уплотнения.
Часто при эксплуатации турбомашин, вследствие высокого числа оборотов, возникает проблема, состоящая в том, что требуется учитывать собственные частоты элементов, в частности компоновки ротора. Если рабочая частота в турбомашине находится на участке критических собственных частот, существует опасность повышенных колебаний, которые могут приводить к усиленному износу или даже разрушению турбомашины. В частности, известно, что при эксплуатации турбомашины следует избегать участков специфических собственных частот.
Исходя из этого, в основу данного изобретения положена задача устранить описанные недостатки или, по меньшей мере, сократить их количество.
Согласно изобретению, основываясь на турбомашине с ранее описанными особенностями, задача решается при помощи того, что сохраняющая различие давления система уплотнения между поперечным сечением потока и свободным пространством расположена со своими элементами уплотнения в радиальном зазоре, вследствие чего осевые участки вала ротора являются свободными от уплотнений. В соответствии с этим в конструкции турбомашины на вале ротора не нужно предусматривать осевой участок для системы уплотнения, поэтому вал ротора можно соответственно укоротить. Даже если экономия материала и экономия места сравнительно незначительны, существенно улучшаются вращательно-динамические характеристики. Благодаря сокращению осевого конструктивного пространства вала ротора, весь ротор становится стабильнее, вследствие чего увеличиваются специфические собственные частоты. В соответствии с этим при эксплуатации турбомашины специфические собственные частоты достигают своей величины только при более высоких числах оборотов, когда они и вовсе не смещаются выше максимального числа оборотов.
Турбомашина может иметь на вале ротора только одно радиальное рабочее колесо или на обоих концах вала соответственно одно радиальное рабочее колесо. В частности, в рамках изобретения предусмотрено, что на первом конце вала расположено первое радиальное рабочее колесо в первом корпусе рабочего колеса, а на втором конце вала - второе радиальное рабочее колесо во втором корпусе рабочего колеса, причем между поперечным сечением потока первого корпуса рабочего колеса и свободным пространством, с одной стороны, а также между поперечным сечением потока второго корпуса рабочего колеса и свободным пространством, с другой стороны, в радиальном зазоре соответственно предусмотрена одна система уплотнения с ранее описанными признаками. Система уплотнения содержит по меньшей мере два элемента уплотнения, расположенные в радиальном зазоре с интервалом друг к другу.
В рамках изобретения радиальный зазор может быть образован также несколькими смещенными на одной оси друг к другу участками зазора, формируя при этом ступенчатую форму. Однако и в этом случае отдельные элементы уплотнения всегда расположены в радиальных участках зазора.
В рамках изобретения имеются различия между корпусом вала, с одной стороны, и корпусом рабочего колеса, с другой стороны. При этом изобретение предусматривает, чтобы корпус вала и корпус рабочего колеса имели возможность полностью отделяться друг от друга. Однако речь может также идти о корпусе вала и корпусе рабочего колеса, как об элементах общего корпуса. Для обеспечения доступа к отдельным компонентам турбомашины, весь такой общий корпус может, например, разделяться в осевом направлении на два элемента, например на верхнюю часть и нижнюю части. Если турбомашина имеет на вале ротора только одно расположенное с односторонней опорой радиальное рабочее колесо, в корпусе вала обычно предусматривают привод или электрическую машину, как привод при эксплуатации в качестве компрессора или как выходной вал при эксплуатации в качестве расширителя. Если предусматривают турбомашину при ее выполнении с двумя расположенными с односторонней опорой радиальными рабочими колесами в качестве двухступенчатого компрессора или двухступенчатого расширителя, то также и в этом случае необходим привод или электрическая машина, т.е. двигатель или генератор, как привод или как выходной вал. В комбинированном компандере, если предусмотрено одно радиальное рабочее колесо для расширения, а другое радиальное рабочее колесо - для сжатия, ступень компрессора может непосредственно приводиться в движение ступенью расширителя. Для отвода лишней или для подвода недостающей энергии в этом случае также может быть предусмотрен привод или электрическая машина.
Система уплотнения с несколькими находящимися на некотором расстоянии друг от друга элементами уплотнения расположена согласно предпочтительному варианту выполнения изобретения на обращенной в направлении корпуса вала задней стороне радиального рабочего колеса, в то время как передняя сторона радиального рабочего колеса снабжена лопатками для сжатия или расширения технологической рабочей среды.
В зависимости от технологической рабочей среды может возникать необходимость ее защиты от загрязнения или предотвращения попадания потерь от утечек технологической рабочей среды в корпус вала. Для промывки участка системы уплотнения или отвода утечек газа по меньшей мере в одной образованной между элементами уплотнения промежуточной камере может быть предусмотрено соединительное отверстие для подвода запирающего газа или отвода утечек газа. Эта промежуточная камера продолжается, по меньшей мере, на некоторых участках также вдоль зазора в радиальном направлении. Соединительное отверстие может быть образовано, например, сверлением в корпусе вала, к которому примыкает линия подвода или отвода.
Согласно изобретению, элементами системы уплотнения являются щеточные уплотнения, торцевые уплотнения, а также попеременно расположенные в зазоре выступы, образующие лабиринт. Для выполнения системы уплотнения могут использоваться аналогичные элементы уплотнения или разные типы элементов уплотнения. В щеточных уплотнениях и торцевых уплотнениях соответствующие друг другу поверхности уплотнения предпочтительно направлены перпендикулярно к оси вала ротора.
Настоящее изобретение поясняется чертежами, на которых представлено следующее:
фиг.1 - поперечное сечение турбомашины;
фиг.2 - детальный вид предпочтительного варианта выполнения турбомашины на участке радиального рабочего колеса.
На фиг.1 показана турбомашина в соответствии с ее общей конструкцией, имеющая установленный в корпусе 1 вала вал 2 ротора. Подшипники 3 для осевой и радиальной опоры вала 2 ротора изображены только в качестве примера, причем без ограничений могут быть предусмотрены подшипники качения, магнитные подшипники, гидростатически смазываемые подшипники и/или гидродинамически смазываемые подшипники.
В примере выполнения на обоих концах вала 2 ротора с односторонней опорой расположены радиальные рабочие колеса 4 в соответствующем корпусе 5 рабочего колеса. Наконец, внутри корпуса 1 вала и на вале 2 ротора предусмотрена электрическая машина 6 в качестве привода или выходного вала. При эксплуатации обоих радиальных рабочих колес 4 в качестве ступеней компрессора вал 2 ротора приводится в движение электрической машиной 6 в виде двигателя. И наоборот, если радиальные рабочие колеса 4 являются ступенями расширителя, электрическую машину 6 приводят в движение в качестве генератора.
Согласно изобретению для разделения рабочей среды соответственно радиального поперечного сечения 7 потока корпуса 5 рабочего колеса и охватывающего вал 2 ротора внутри корпуса 1 вала свободного пространства 8 предусмотрена система 9 уплотнения с несколькими расположенными на некотором расстоянии друг от друга элементами 10A, 10B уплотнения. Согласно изобретению вся сохраняющая различие давления система 9 уплотнения между поперечным сечением 7 потока и свободным пространством 8 с ее элементами 10A, 10B уплотнения расположена в радиальном зазоре 11, вследствие чего осевые участки вала 2 ротора не заполнены уплотнениями. Поэтому по сравнению с известными из уровня техники выполнениями вал 2 ротора может быть выполнен сравнительно коротким, вследствие чего весь ротор по своим вращательно-динамическим характеристикам становится стабильнее и имеет высокие специфические собственные частоты.
В качестве элементов 10A, 10B уплотнения в варианте выполнения по фиг.1 на задней стороне 12 обоих радиальных рабочих колес 4 предусмотрены охватывающее торцевое уплотнение в качестве первого элемента 10A уплотнения, а также несколько, образующих лабиринт выступов в качестве других элементов 10B уплотнения.
На фиг.2 показан детальный вид предпочтительного варианта выполнения соответствующей изобретению турбомашины, причем радиальный зазор 11 разделен вследствие ступенчатого выполнения на участки 11A, 11B и 11C зазора. В каждом проходящем в радиальном направлении участке 11A, 11B, 11C зазора расположен элемент 10C уплотнения, выполненный в данном варианте в виде щеточного уплотнения. Для возможности подвода в систему 9 уплотнения запирающего газа или для отвода от системы 9 уплотнения утечки газа в корпусе 1 вала выполнено сверление 13, впадающее в промежуточную камеру 14 между двумя расположенными на некотором расстоянии друг от друга элементами 10C уплотнения.