УПЛОТНИТЕЛЬНОЕ КОЛЬЦО, ВЫПОЛНЕННОЕ С ВОЗМОЖНОСТЬЮ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ПЕРЕМЕННОГО ЗАЗОРА ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ, И СПОСОБ ПРИВЕДЕНИЯ ЕГО В ДЕЙСТВИЕ
SEAL RING TO ALLOW VARIABLE CLEARANCE IN OPERATION AND METHOD OF ITS USE

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение в целом относится к уплотнительным кольцам, используемым в ротационных машинах, а более конкретно - к уплотнительным кольцам с переменным зазором, используемым в ротационных машинах, например в паровых турбинах.
Уровень техники
В ротационных машинах, например в паровых турбинах, между вращающимися и неподвижными элементами установлены уплотнения (см. US 5,810,365, F16J 15/44, 22.09.1998). Например, в паровых турбинах обычно применяется множество дуговых сегментов уплотнительных колец (опорные лабиринтные элементы) для формирования лабиринтного уплотнения вокруг и между неподвижными и вращающимися элементами. Обычно дуговые сегменты уплотнительных колец расположены в кольцевом пазу в неподвижном элементе концентрично вокруг оси вращения машины и, следовательно, концентрично относительно уплотняемой поверхности вращающегося элемента. Уплотнение достигается созданием турбулентного потока в рабочей среде, например в паровой среде, при ее прохождении через сравнительно плотные зазоры в пределах лабиринта, образованного гранью зубчатого уплотнения и противоположной поверхностью вращающегося элемента.
Для избежания повреждения ротора и уплотняющего кольца при переходных режимах, например режиме запуска и режиме выключения, используются уплотняющие кольца с переменным зазором. Обычно уплотняющие кольца с переменным зазором используют пружины, которые смещают и поддерживают кольцевые сегменты в положениях с большим зазором при переходных режимах. При нахождении в положениях с большим зазором уплотняющие грани, поддерживаемые уплотнительными кольцами, располагаются фактически вне вращающегося элемента, без контакта между сегментами и ротором. При запуске машины текучая рабочая среда (пар) в пределах пазов неподвижного элемента оказывается сжатой. Наличие сжатой среды в пределах пазов вызывает повышение давления. Это повышение давления вынуждает сегменты перемещаться внутрь против смещения пружин, к положению с внутренним или небольшим зазором. Если давление в пазу превышает противоположное смещение пружин, то уплотняющие грани сегментов создают требуемое лабиринтное уплотнение с ротором.
Пружины, используемые для смещения сегментов в положения с большим зазором, обычно располагаются в пределах кольцевого паза, находящегося между участком захвата уплотняющего кольцевого сегмента и установочным фланцем корпуса. Пружины, находящиеся в этой, сравнительно небольшой области кольцевого паза, могут быть трудно устанавливаемыми, особенно на малых узлах турбины. Кроме того, требуется большой участок захвата относительно размеров других кольцевых элементов. И небольшая область, и большой участок захвата могут затруднять сборку кольцевого корпуса. Таким образом, было бы желательно расположить смещающую пружину в более протяженной области паза, допуская менее громоздкий участок захвата и позволяя более легкую сборку кольцевого корпуса.
Краткое описание изобретение
Представлено уплотнительное кольцо с переменным зазором, включающее в себя множество дуговых сегментов уплотнительного кольца с последовательным расположением, множество контактных поверхностей смещающего элемента, образованных множеством дуговых сегментов уплотнительного кольца, и смещающий элемент, взаимодействующий с одной из множества контактных поверхностей одного из множества дугообразных сегментов и одной из множества контактных поверхностей на смежном одном из множества дугообразных сегментов.
Также представлен способ приведения в действие уплотнительного кольца с переменным зазором, причем способ включает в себя смещение, по меньшей мере, одного из множества дуговых сегментов уплотнительного кольца в положение с зазором посредством смещающего элемента, взаимодействующего с, по меньшей мере, одним из множества дуговых сегментов уплотнительного кольца и одним смежным из множества дуговых сегментов уплотнительного кольца.
Краткое описание чертежей
Вышеуказанные и другие особенности и преимущества настоящего изобретения должны стать более понятными из нижеследующего подробного описания примерных вариантов осуществления и соответствующих чертежей, на которых подобные элементы имеют одинаковые обозначения:
Фиг.1 представляет собой частичное поперечное сечение, показывающее схематично ротационную машину предшествующего уровня техники;
Фиг.2 представляет собой поперечное осевое сечение, схематично отображающее конструкцию уплотняющего кольца с переменным зазором;
Фиг.3 представляет собой схематический вид радиального сечения уплотняющего кольца с переменным зазором конструкции, показанной на Фиг.2 вдоль линии 3-3 в открытом положении;
Фиг.4 представляет собой схематичный вид радиального сечения уплотняющего кольца с переменным зазором конструкции, показанной на Фиг.2 вдоль линии 3-3 в закрытом положении;
Фиг.5 представляет собой поперечное осевое сечение, схематично отображающее конструкцию уплотняющего кольца с переменным зазором, показывающее смещающий элемент, не соприкасающийся с корпусом; и
Фиг.6 представляет собой блок-схему, показывающую способ приведения в действий уплотняющего кольца с переменным зазором.
Подробное описание изобретение
Для ясности и наглядности на Фиг.1 показан участок ротационной машины (например, паровой турбины), обозначенный позицией 10, имеющий вращающийся элемент 12, по меньшей мере, частично расположенный в корпусе 14, в котором вращающийся элемент 12 поддерживается для вращения стандартными средствами, не показанными, в пределах корпуса 14. Многоступенчатое лабиринтное уплотнение 16, включающее в себя множество уплотнительных колец 18, 20 и 22, расположено вокруг вращающегося элемента 12, разделяя области высокого и низкого давления, 28 и 30, соответственно. Каждое уплотнительное кольцо образовано кольцевым набором дуговых сегментов 32 уплотнительного кольца. Каждый сегмент уплотнительного кольца 32 имеет уплотняющую поверхность 34 с выступающими радиальными зубьями 36, действующими отчасти как барьеры для пара, протекающего из области 28 высокого давления, к области 30 низкого давления.
Кратко упомянутый выше корпус 14, имеет обычно трапециевидный кольцевой паз 42. Кольцевой паз 42 расположен вдоль самых удаленных внутренних радиальных участков корпуса 14, образованных парой установочных фланцев 44, расширяющихся в осевом направлении по направлению друг к другу, образуя щели 46 между собой. Хвостовой участок 48 каждого сегмента 32 связывает установочные захваты 40 с уплотнительными поверхностями 34 и проходит через щель 46.
Следует отметить, что сегменты 32 могут содержать сегменты уплотнительного кольца с переменным зазором, которые выполнены с возможностью перемещения между положениями с большим зазором, и уплотненными положениями с малым зазором относительно вращающегося элемента 12. В обычном уплотнительном кольце с переменным зазором, смещающий элемент (не показан), например, пружина, может находиться между, по меньшей мере, одним из установочных фланцев 44 корпуса 14, и захватами 40 уплотнительных колец 18, 20, и 22. Размещение смещающего элемента между этими элементами может быть затруднено, особенно в малых турбинных устройствах, и требует эффективности от слишком больших и громоздких захватов 40.
В данном случае предлагается конструкция 100 уплотнительного кольца с переменным зазором, которая допускает размещение смещающего элемента вдали от вышеуказанного положения между установочными фланцами 44 и захватами уплотнительного кольца 40. Со ссылками на Фиг.2, 3, и 4 показана конструкция 100 уплотнительного кольца с переменным зазором, включающая в себя множество дуговых сегментов 102a-f уплотнительного кольца и корпус 104, которые используются в ротационной машине. Сегменты 102a-f позиционированы последовательно, образуя кольцевой зазор 105, с сегментами, включающими в себя уплотняющий участок 106, хвостовой участок 108, и участок корпуса 110. Участок корпуса 110 располагается в пределах кольцевой канавки 112, образованной обоймой 104, включающей в себя первый установочный фланец 114, второй установочный фланец 116, и поверхность 118 смещающего элемента. Конструкция 100 дополнительно включает в себя, по меньшей мере, один смещающий элемент 120a-f, который может соединять, по меньшей мере, один из множества сегментов 102a-f уплотнительного кольца с поверхностью 118 смещающего элемента корпуса 104, как показано на Фиг.2.
В примерном варианте осуществления, участок корпуса 110 каждого уплотняющего кольцевого сегмента 102a-f образует, по меньшей мере, одну контактную поверхность 121 смещающего элемента, включающую в себя пружинную камеру 122a-b и, по меньшей мере, один пружинный фланец 124a-b. Пружинные полости и пружинные фланцы объединяются, образуя множество T-образных структур 125, как показано на Фиг.2. Пружинные полости 122a-b каждого участка 110 корпуса выполнены с возможностью соединения с каждым первым кольцевым краем 126 и вторым кольцевым краем 128 каждого смещающего элемента 120a-f.
Первые кольцевые края 126 и вторые кольцевые края 128 смещающих элементов 120a-f располагаются в пределах пружинных полостей 122a-b так, чтобы позволить, по меньшей мере, частичное примыкание к пружинным фланцам 124a-b. На Фиг.2, это примыкание показано между кольцевыми краями 126 и 128 и поверхностью полости 130 пружинных фланцев 124a-b.
На Фиг.2 показано также, что вместе с соединением каждого сегмента с поверхностью 118 смещающего элемента корпуса 104, смещающие элементы 120a-f соединяют также и смежные сегменты 102a-f уплотнительного кольца друг с другом. Например, смещающий элемент 120a соединяет сегмент 102a уплотнительного кольца с сегментом 102b уплотнительного кольца, при одновременном соединении сегментов 102a и 102b уплотнительного кольца с поверхностью 118 смещающего элемента корпуса 104 в точке 132 соединения. Аналогично, смещающий элемент 120f соединяет, сегмент 102a уплотнительного кольца с сегментом 102f уплотнительного кольца, при соединении обоих сегментов 102a и 102f уплотнительного кольца с поверхностью 118 смещающего элемента корпуса 104 в точке 132 соединения. Таким образом, сегмент 102a уплотнительного кольца соединен с каждым сегментом (102b и 102f), с которыми он соседствует, при одновременном соединении с поверхностью 118 смещающего элемента корпуса 104 через, по меньшей мере, один смещающий элемент, в этом случае - смещающие элементы 120a и 120f. Следует отметить, что смещающие элементы 120a-f могут представлять собой пружину любого типа, например, пружину растяжения (включая скрученные или плоские пружины), которая действует для смещения конструкций 102a-f уплотнительного кольца к поверхности 118 смещающего элемента корпуса 104 (что подробнее описано ниже), и вдали от вращающегося элемента 133. Должно быть также ясно, что хотя на чертежах показаны шесть сегментов 102a-f уплотнительного кольца, содержащих кольцевой зазор 105, этот зазор 105 может содержать любое количество сегментов, большее или равное двум.
Со ссылкой на Фиг.3 и 4 будет описано, как функционирует устройство 100. На Фиг.3 сегмент 102а уплотнительного кольца показан в открытом положении 134, т.е. в положении с зазором, которое имеет место тогда, когда ротационная машина находится в переходном режиме. Сегмент 102а "втянут" в это положение 134 посредством смещающих элементов 120а и 120f. Хотя на Фиг.3 и 4 показан только смещающий элемент 120а, смещающий элемент 120f, так же, как и другие смещающие элементы 120b-е, будет действовать вместе с сегментами 102a-f, с которыми они соединены, причем таким же образом, как и смещающий элемент 120а действует с сегментом 102а на Фиг.3 и 4.
В примерном варианте осуществления смещающий элемент 120а тянет сегмент 102а по направлению к поверхности 118 смещающего элемента корпуса 104 (и от вращающегося элемента 133) посредством своего соединения с пружинной полостью 122b и пружинным фланцем 124b сегмента 102а, и соединения с пружинной полостью 122а и пружинным фланцем 124b сегмента 102а (соединение с сегментом 102b показано только на Фиг.2). Со ссылкой на Фиг.2 смещающий элемент 120а (а также оставшаяся часть смещающих элементов 120b-f) показан как плоская пружина растяжения с краями 126 и 128, сжатыми или "изогнутыми" от плоского остаточного положения в направлении к кольцевому зазору 105. При "изогнутом" положении (как показано на Фиг.2) первый край 126 кольца может быть расположен в пружинной полости 122b (смежной с пружинным фланцем 124b) сегмента 102a, и второй край 128 пружины может быть расположен в пружинной полости 122a (смежной с пружинным фланцем 124a) сегмента 102b. Поскольку края 126 и 128 смещающего элемента/пружины 102a имеют тенденцию перемещения назад по направлению к плоскому остаточному положению (относительно поверхности 118 смещающего элемента), то возникает равнодействующая сила 136, приложенная к первому кольцевому краю 126 и второму кольцевому краю 128 на соответствующих пружинных фланцах 124b и 124. Эта равнодействующая сила 136 тянет сегменты 102a и 102b (как показано в отношении 102a на Фиг.3) по направлению к поверхности 118 смещающего элемента корпуса 104, перемещая уплотняющий участок 106 сегментов 102a и 102b от вращающегося элемента 133. Сегменты 102a и 102b втянуты в этом направлении до тех пор, пока уплотняющие участки 106 сегментов 102a и 102b (на Фиг.3 показан только сегмент 102a), контактируют с относительно нижней поверхностью 138 установочных фланцев 114 и 116 корпуса 104. Таким образом, как показано на Фиг.3, сегмент 102a может быть установлен в открытом положении 134 во время переходных режимов ротационной машины. Следует отметить, что хотя только сегмент 102a показан на Фиг.3 в примерном варианте осуществления, каждый сегмент 102a-f будет установлен в это открытое положение 134 во время переходных режимов ротационной машины.
Со ссылкой на Фиг.4, относительно рабочих режимов ротационной машины можно заметить, что текучая среда (например, пар) входит в кольцевой паз 112, создавая силу давления пара 140 на участок корпуса 110 сегмента 102a (так же, как и другие сегменты 102b-f), причем сила давления пара 140 противоположна результирующей силе 136, создаваемой смещающим элементом 102a. Сила давления пара 140 превосходит равнодействующую силу 136 и "толкает" сегмент 102a к вращающемуся элементу 133, позволяя уплотняющему участку 106 сегмента 102a уплотнить вращающиеся элементы, и позиционируя сегмент 102a (а также остальные сегменты 102b-f) в закрытое положение 142. Если возникает следующий переходный режим ротационной машины, то давление пара сбрасывается, и смещающие элементы 120a-f снова перемещают сегменты 102a-f в открытое положение 134.
Со ссылкой на Фиг.5, следует отметить, что смещающие элементы 120a-f могут соединить смежные кольцевые сегменты 102a-f друг с другом, причем без контакта с корпусом 104. На этой Фигуре показано, что смещающие элементы 120a-f могут смещать сегменты 102a-f от вращающегося элемента 133 (не показано на Фиг.5) не соединяя сегменты 102a-f с корпусом 104. Как указано выше, и в примерном варианте осуществления, смещающие элементы 120a-f могут быть плоскими пружинами, "изогнутыми" относительно исходного положения.
Со ссылкой на Фиг.6, показан способ 200 приведения в действие конструкции уплотнительного кольца с переменным зазором, включающий в себя смещение, по меньшей мере, одного сегмента 102a-f уплотнительного кольца в положение 134 с зазором, к поверхности 118 смещающего элемента корпуса 104, посредством, по меньшей мере, одного смещающего элемента 120a-f, как показано в рабочем блоке 202, причем, по меньшей мере, один сегмент 102a-f уплотнительного кольца может поддерживаться в положении 134 с зазором в течение переходных режимов ротационной машины. Смещающие элементы 120a-f могут выполнить это смещение посредством соединения между полостью 122, по меньшей мере, одного сегмента 102a-f уплотнительного кольца и поверхностью 118 смещающего элемента корпуса 104, и/или соединения смежных сегментов 102a-f уплотнительного кольца (в пределах кольцевого зазора 105, сформированного сегментами 102a-f) друг с другом.
Способ 200 включает в себя также смещение, по меньшей мере, одного из множества дуговых сегментов 102a-f уплотнительного кольца в положение 134 с зазором посредством смещающего элемента 120a-f, взаимодействующего с, по меньшей мере, одним из множества дуговых сегментов 102a-f уплотнительного кольца и одним смежным из множества дуговых сегментов 102a-f уплотнительного кольца, как показано в рабочем блоке 202. Следует отметить, что смещающие элементы 120a-f могут поддерживать сегменты 102a-f в положениях 134 с зазором в течение переходных режимов ротационной машины.
Хотя изобретение описано со ссылкой на примерный вариант осуществления, специалистам в данной области техники должно быть ясно, что могут быть выполнены различные изменения и эквивалентные замены элементов без отклонения от сущности изобретения. Кроме того, может быть выполнено много модификаций для адаптации изобретения к конкретной ситуации или объекту также без отклонения от сущности изобретения. Поэтому важно, чтобы изобретение не ограничивалось конкретным вариантом осуществления, рассмотренным в качестве предпочтительного варианта осуществления изобретения, чтобы изобретение включало бы в себя все варианты осуществления, попадающие в объем приведенной формулы изобретения. Кроме того, если специально не оговорено, то любое использование терминов первый, второй, и т.п. не означают какую-либо степень значимости, а используются эти термины для различения одного элемента от другого.
Перечень элементов
10 участок ротационной машины
12 вращающийся элемент
14 корпус
16 многоступенчатое лабиринтное уплотнение
18, 20, 22 множество уплотнительных колец
28 область высокого давления
30 область низкого давления
32 дуговой сегмент уплотнительного кольца
34 уплотняющая поверхность
36 выступающий радиальный зуб
40 установочные захваты
42 кольцевой паз
44 установочные фланцы
46 щель
48 хвостовой участок
100 конструкция уплотнительного кольца
102a-f множество сегментов уплотнительного кольца
104 корпус
105 кольцевой зазор
106 уплотняющий участок
108 хвостовой участок
110 участок корпуса
112 кольцевой паз
114 первый установочный фланец
116 второй установочный фланец
118 поверхность смещающего элемента
120a-f смещающие элементы
121 контактная поверхность смещающего элемента
122a-b пружинные полости
124a-b пружинные фланцы
125 T-образные структуры
126 первый кольцевой край
128 второй кольцевой край
130 поверхность полости
132 точка соединения
133 вращающийся элемент
134 открытое положение или положение с зазором
136 результирующая сила
138 относительная нижняя поверхность
140 сила давления пара
142 закрытое положение
200 способ приведения в действие конструкции уплотнительного кольца с переменным зазором
202 рабочий блок