Уплотнительное устройство для турбомашины (варианты)
SEALING DEVICE FOR TURBOMACHINE (VERSIONS)

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
[0001] Изобретение, рассматриваемое в данном документе, относится к турбомашинам и, более конкретно, к уплотнительному устройству для турбомашин.
ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0002] В различных типах турбомашин уплотнения (US 2012/0217704) используются для выполнения многочисленных функций в отношении некоторых компонентов, расположенных внутри указанной турбомашины. К одному такому типу уплотнений относится бесконтактное торцевое уплотнение, которое обычно используют в зазоре с шириной в несколько мил (несколько тысячных дюйма (25,4 мкм)) или менее того. Несмотря на то что указанное уплотнение обладает технически необходимыми преимуществами, к которым относятся малая протечка, сниженный износ и нечувствительность к радиальным биениям, тем не менее, все еще продолжает оставаться недостаточной степень их эффективности. Например, вследствие некоторых факторов, включая производственные допуски и погрешности, характеристики гидродинамических или гидростатических процессов, которые обусловливают возникновение открывающих усилий, могут быть рассчитаны неудовлетворительно, что может затем привести к истиранию компонентов турбомашины при их взаимном контакте и, соответственно, к нежелательным системным последствиям.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0003] В соответствии с одним аспектом изобретения уплотнительное устройство для турбомашины имеет уплотнительную торцевую поверхность, расположенную на уплотнительном кольце, расположенном с возможностью поворота между первым положением и вторым положением и имеющем каналы. Также оно содержит заднее кольцо, расположенное смежно с уплотнительным кольцом и имеющее отверстия, которые при нахождении уплотнительного кольца во втором положении выровнены с большим количеством указанных каналов в уплотнительном кольце, чем при его нахождении в первом положении. Кроме того, оно содержит удерживающую деталь, функционально соединяющую уплотнительное кольцо и заднее кольцо.
[0004] В соответствии с другим аспектом изобретения уплотнительное устройство для турбомашины имеет относительно круговую уплотнительную поверхность. Также оно содержит уплотнительное кольцо, расположенное с возможностью поворота между первым положением и вторым положением и имеющее каналы. Также оно содержит заднее кольцо, расположенное смежно с уплотнительным кольцом и имеющее отверстия. По меньшей мере один из указанных каналов открыт на относительно круговой уплотнительной поверхности на одном конце и закрыт задним кольцом на другом конце при нахождении уплотнительного кольца в первом положении. Кроме того, оно содержит удерживающую деталь, функционально соединяющую уплотнительное кольцо и заднее кольцо, причем уплотнительное кольцо расположено с возможностью поворота относительно заднего кольца.
[0005] В соответствии с еще одним аспектом данного изобретения уплотнительное устройство для турбомашины имеет относительно круговую уплотнительную поверхность. Также оно содержит уплотнительное кольцо, расположенное с возможностью поворота между первым положением и вторым положением и имеющее каналы. Кроме того, оно содержит заднее кольцо, расположенное смежно с уплотнительным кольцом и имеющее отверстия, причем заднее кольцо выполнено с возможностью закрытия по меньшей мере одного из указанных каналов при нахождении уплотнительного кольца в первом положении, причем по меньшей мере одно из указанных отверстий открывает канал при нахождении уплотнительного кольца во втором положении. Кроме того, оно содержит удерживающую деталь, функционально соединяющую уплотнительное кольцо и заднее кольцо, причем уплотнительное кольцо расположено с возможностью поворота относительно заднего кольца.
[0006] Эти и другие преимущества и свойства будут более понятны из нижеследующего описания в сочетании с чертежами.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[0007] Объект, рассматриваемый как изобретение, в частности, указан и точно определен в формуле изобретения, приведенной за данным подробным описанием. Вышеуказанные и другие свойства и преимущества изобретения будут более понятны из нижеследующего подробного описания в сочетании с сопроводительными чертежами, на которых
[0008] фиг.1 изображает вид сбоку уплотнительной системы;
[0009] фиг.2 изображает вид в аксонометрии уплотнительного устройства;
[0010] фиг.3 изображает вид в аксонометрии удерживающей детали, содержащей предохранительный штырь;
[0011] фиг.4 изображает вид в аксонометрии заднего кольца, прикрепленного удерживающей деталью;
[0012] фиг.5 изображает вид в аксонометрии уплотнительного кольца, функционально присоединенного к заднему кольцу;
[0013] фиг.6 изображает вид спереди уплотнительного кольца в первом положении; и
[0014] фиг.7 изображает вид спереди уплотнительного кольца во втором положении.
[0015] Указанное подробное описание объясняет варианты выполнения изобретения вместе с преимуществами и свойствами в качестве примера со ссылкой на чертежи.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0016] Обратимся к фиг.1, на котором показана уплотнительная система 1, предназначенная для использования в турбомашине (не показана), такой как турбоустановка, и содержащая торцевую поверхность 51 на роторе 50, уплотнительное устройство 10, содержащее уплотнительное кольцо 12, заднее кольцо 14 и уплотнительную торцевую поверхность 16. Уплотнительное устройство 10 также содержит удерживающую деталь 18, которая прикреплена к неподвижному компоненту или является его частью. Противоповоротный компонент 20, который прикреплен к удерживающей детали 18, предотвращает поворот уплотнительного кольца 12 и заднего кольца 14, допуская при этом их перемещение в осевом направлении. Пружина 19 используется для поджатия уплотнительного кольца 12 от торцевой поверхности 51 ротора или к ней. Уплотнительное устройство 10 также содержит вторичное уплотнение 17, которое препятствует протечке между уплотнительным кольцом 12 и удерживающей деталью 18 и одновременно обеспечивает возможность перемещения уплотнительного кольца 12 в осевом направлении. Кольцо 12 имеет каналы 42, которые обеспечивают подачу рабочей текучей среды к уплотнительной торцевой поверхности 16. Заднее кольцо 14 имеет отверстия 30, которые совпадают с некоторыми из отверстий каналов 42 при определенных проектных условиях. Когда между торцевой поверхностью 16 уплотнения и торцевой поверхностью 51 ротора возникает трение, то создаваемый трением момент будет заставлять кольцо 12 поворачиваться на заданную величину до жесткого упора. В это время заднее кольцо 14 не поворачивается. В указанном положении после совершения поворота большая часть отверстий каналов 42 будет совпадать с отверстиями 30, расположенными на заднем кольце 14. Соответственно, при этом большая часть каналов 42 будет подвергаться воздействию рабочей текучей среды под высоким давлением, что увеличит воздействие давления текучей среды на уплотнительную торцевую поверхность 16. Указанное повышенное давление будет отталкивать кольцо 12 от торцевой поверхности 51 ротора, создавая при этом возможность для работы указанной уплотнительной системы 1 при большем зазоре. Подобная предохранительная конструкция обеспечивает возможность для того, чтобы уплотнительная система 1 не получила дополнительного повреждения уплотнительной торцевой поверхности 16 при возникновении трения.
[0017] В соответствии с фиг.2 уплотнительное устройство 10 может использоваться в различных частях в турбомашине и может быть связано с различными компонентами внутри турбомашины, в частности, оно может использоваться между зоной высокого давления и зоной низкого давления (относительно друг друга). При таком применении уплотнительное устройство 10 является относительно круговым и расположено так, чтобы оно по меньшей мере частично окружает ротор 50 и обеспечивает уплотнение в требуемых местах. Устройство 10 является бесконтактным уплотнительным устройством, работающим с зазором, ширина которого составляет приблизительно менее десяти (10) мил (тысячных дюйма (254 мкм)) от торцевой поверхности 51 ротора. Подобная предохранительная конструкция создает возможность для надежной работы уплотнительной системы 1 при малом зазоре.
[0018] В соответствии с фиг.3 часть удерживающей детали 18 расположена смежно с уплотнительной торцевой поверхностью 16 и может быть опосредованно присоединена к заднему концу уплотнительного кольца 12 пружиной 19. Удерживающая деталь 18 содержит предохранительный штырь 20, который проходит в осевом направлении вперед к уплотнительной поверхности 16. Как изложено выше, уплотнительное устройство 10 может использоваться в различных местах турбомашины и с различными схемами расположения, однако, в показанных примерах и для поставленной цели данного описания уплотнительное устройство 10 расположено проксимально к наружной торцевой поверхности ротора 50 упомянутого турбинного узла.
[0019] В соответствии с фиг.4 заднее кольцо 14 имеет сквозное отверстие 22, в котором расположен предохранительный штырь 20 для предотвращения поворота путем сопряжения с отверстием. Заднее кольцо 14 содержит основную часть 23, которая проходит в окружном направлении по существу кольцеобразно или эллипсообразно, и указанные отверстия. Эти отверстия 30 могут быть глухими отверстиями или открытыми зазорами, расположенными между выступами 28, которые могут быть выполнены просто в виде пластины. Предполагается, что для создания указанных отверстий 30 на заднем кольце 12 могут подходить другие геометрические конфигурации.
[0020] В соответствии с фиг.5 кольцо 12 расположено смежно с задним кольцом 14 перед ним в осевом направлении. Кольцо 12 содержит соединение, относящееся к предохранительному типу, с удерживающей деталью 18, такое как разрушаемый паз 32, в который входит предохранительный штырь 20 посредством сопряжения с ним. Следовательно, в отличие от заднего кольца 14, имеющего сквозное отверстие 22 для размещения штыря, которое надежно и жестко с помощью удерживающей детали 18 препятствует повороту заднего кольца 14 и, следовательно, уплотнительной поверхности 16, кольцо 12 может поворачиваться относительно заднего кольца 14 и удерживающей детали 18 в пределах длины паза 32. Поворот кольца 12 может возникать по различным причинам, например, при возникновении трения ротора 50 во время эксплуатации.
[0021] Разрушаемый паз 32 состоит по меньшей мере из двух частей, а именно первой приемной части 34 и второй приемной части 36. Как первая часть 34, так и вторая часть 36 выполнена с достаточным диаметром, чтобы охватывать штырь 20. Первая часть 34 и вторая часть 36 отделены тонкой перемычкой, или верхней вогнутой частью 38 и нижней вогнутой частью 40. Независимо от вида разделительной конструкции между первой частью 34 и второй частью 36, создаваемая конструкцией сила и/или сила трения, сообщаемая разделительной конструкцией, является достаточной для сохранения расположения предохранительного штыря 20 внутри либо первой части 34, либо второй части 36 вплоть до достижения определенного крутящего момента. Крутящий момент, воздействующий на кольцо 12, например, за счет указанного ранее возникновения трения ротора 50, который является достаточным для сообщения поворотного движения кольцу 12, будет заставлять кольцо 12 преодолевать силу трения и/или создаваемую конструкцией силу между штырем 20 и первой частью 34 или второй частью 36. Указанный крутящий момент, который является достаточным для преодоления указанных сил, зависит от области применения и при необходимости может быть изменен путем видоизменения указанной разделительной конструкции между первой 34 и второй 36 частями.
[0022] В другом варианте выполнения соединение предохранительного типа может быть штырем, расположенным на кольце 12, и разрушаемым пазом 32, расположенным на детали 18. В еще одном варианте выполнения вместо выполнения перемычки в разрушаемом пазу 32 указанный штырь может быть конструктивно выполнен в качестве однократно используемой детали, срезаемой во время возникновения трения ротора.
[0023] В соответствии с фиг.6 и 7 уплотнительное кольцо 12 имеет проходящие через него в осевом направлении каналы 42. В первом положении, соответствующем расположению штыря 20 в первой приемной части 34 паза 32 кольца 12, по меньшей мере один из указанных каналов 42 кольца 12 закрыт на задней в осевом направлении поверхности кольца 12 выступами 28 заднего кольца 14. Количество и положение каналов 42 могут регулироваться и могут быть изменены для использования в конкретных областях применения. Соответственно, количество и форма выступов 28 могут быть изменены для обеспечения необходимого функционирования, которое определяется количеством закрытых каналов из каналов 42.
[0024] Как изложено выше, кольцо 12 имеет возможность поворота относительно заднего кольца 14, причем такой поворот возникает во время воздействия силы на кольцо 12. Как упомянуто выше, такая сила может заставлять кольцо 12 сообщать крутящий момент, достаточный для приведения в движение предохранительного штыря 20 из первой части 34 разрушаемого паза 32 во вторую часть 36 указанного паза, или наоборот. Во время перемещения из указанного первого положения к указанному второму положению, в котором штырь 20 находится во второй приемной части 36, дополнительные каналы 42 кольца 12 открываются посредством заднего кольца 14, и, более конкретно, посредством выступов 28 кольца 14. Для упрощения открытия каналов 42 каждый выступ 28 имеет по меньшей мере одно отверстие 30, соответствующее одному из каналов 42, когда кольцо 12 находится во втором положении, как проиллюстрировано на фиг.6.
[0025] Открытие нескольких или всех указанных каналов 42 преимущественно обеспечивает прохождение воздуха под высоким давлением через указанные каналы 42 и отделение уплотнительного кольца 12 от уплотнительной торцевой поверхности 16, или любой другой смежной конструкции, например опорной конструкции. Такое уплотнительное устройство 10 снижает вероятность истирания уплотнения.
[0026] Несмотря на то что данное изобретение подробно описано в отношении лишь ограниченного количества вариантов выполнения, тем не менее, следует понимать, что оно не ограничивается рассмотренными вариантами выполнения. Точнее, данное изобретение может быть видоизменено с включением любого количества вариантов, изменений, замен или эквивалентных конструкций, не рассмотренных в данном документе, но которые подпадают под сущность и объем правовой охраны данного изобретения. Кроме того, несмотря на то, что описаны различные варианты выполнения изобретения, тем не менее, следует понимать, что его аспекты могут включать только некоторые из приведенных вариантов выполнения. Соответственно, данное изобретение не должно рассматривается как ограниченное вышеприведенным описанием, так как оно ограничено лишь объемом правовой охраны, изложенным в прилагаемой формуле изобретения.