СПОСОБ УПЛОТНЕНИЯ ТУРБИНЫ (ВАРИАНТЫ)
METHOD OF TURBINE SEALING (VERSIONS)

Область изобретения
Настоящее изобретение имеет отношение к созданию устройств, которые обеспечивают уплотнение от (против) утечки рабочей жидкости между неподвижным элементом и вращающимся элементом турбины.
Уровень техники
Эффективность турбины
Турбина представляет собой машину, для которой создают уплотнение в соответствии с настоящим изобретением. Эффективность (кпд) турбины зависит от ее способности максимального преобразования тепловой и кинетической энергии, переносимой за счет рабочей жидкости, такой как, например, пар, в энергию вращения вращающегося элемента, который установлен внутри неподвижного элемента. В паровых турбинах большая часть потерь эффективности преобразования энергии происходит, например, когда возникает утечка и пар проходит, минуя лопатки вращающегося элемента, и поэтому не передает им энергию. В течение многих лет известна проблема потерь, связанных с утечкой. Однако, при возрастающей стоимости ископаемого топлива и сокращения резервов ископаемого топлива, эта проблема становится первостепенной.
Устройства для уплотнения
Для решения указанной проблемы используют уплотняющие устройства, содержащие бесконтактные уплотнительные кольца, которые устанавливают последовательно и соосно вдоль длины вращающегося элемента турбины, чтобы создавать уплотнение от чрезмерной утечки рабочего флюида (например, пара) из турбины или уплотнение от поступления в нее воздуха, при всех нагрузках и при всех параметрах пара.
Уплотняющие устройства, используемые в турбине, проектируют как стационарные устройства, работающие в непосредственной близости от вращающегося элемента. Типично, такие уплотняющие устройства закреплены внутри дополняющих пазов, предназначенных для их приема и выполненных в неподвижном элементе турбины, чтобы предотвратить их перемещение относительно вращающегося элемента. Эффективность таких уплотняющих устройств прямо связана с их способностью предотвращения или снижения утечки рабочей жидкости.
В зависимости от их характеристик, уплотняющие устройства, которые используют, например, в турбинах, могут быть подразделены на уплотнения для повышенного давления, мембранные уплотнения, паровые уплотнения, лабиринтные уплотнения, глухие (dummy) кольца и сальниковые уплотнения.
Уплотнительные кольца
Как уже было указано выше, компонентом уплотняющих устройств является бесконтактное уплотнительное кольцо. Как это следует из его названия, уплотнительное кольцо представляет собой конструкцию в виде кольца, которое может иметь несколько связанных по окружности дуговидных кольцевых сегментов.
Эти уплотнительные кольца выступают радиально внутрь из пазов в неподвижном элементе турбины (в которых они закреплены), так что они находятся в непосредственной близости от самой наружной вращающейся поверхности вращающегося элемента турбины, оставляя только небольшой радиальный зазор между самой внутренней поверхностью каждого уплотнительного кольца и самой наружной вращающейся поверхностью вращающегося элемента.
Эффективность таких уплотнительных колец прямо связана с их способностью уплотнения различных секций вращающегося элемента, за счет предотвращения или снижения утечки рабочего флюида. Например, в турбине эти уплотнительные кольца поддерживают эффективность турбины за счет предотвращения утечки пара из турбины, а также за счет предотвращения поступления воздуха в турбину.
Использование при наладке турбин уплотнительных колец в соответствии с известным уровнем техники можно понять со ссылкой на фиг.1А, на которой показано частично продольное сечение примерного известного "лабиринтного" уплотнительного кольца 210, установленного соосно вокруг вращающегося элемента 122 примерной турбины; и со ссылкой на фиг.1В, на которой показано соответствующее осевое поперечное сечение примерного известного "лабиринтного" уплотнительного кольца 210. Известное уплотняющее устройство может иметь множество таких уплотнительных колец, последовательно установленных вдоль продольной оси Z вращающегося элемента 122. Примерное известное уплотнительное кольцо 210 может иметь два или больше сегментов уплотнительного кольца, как это показано на фиг.1В. При их соединении по окружности, как это показано на фиг.1В, сегменты уплотнительного кольца образуют полное уплотнительное кольцо.
Примерное известное уплотнительное кольцо 210 охватывает вращающийся элемент 122, занимая пространство между вращающимся элементом 122 и неподвижным элементом 110 турбины (фиг.1А), чтобы снизить до минимума утечку флюида между различными областями, через которые проходит вращающийся элемент 122. Несмотря на то, что полная длина и все детали вращающегося элемента 122 не показаны, можно понять, что вращающийся элемент 122 является частью полного вращающегося элемента, содержащего все средства отбора энергии вращения, полученной за счет тепловой и кинетической энергии рабочей жидкости, показанной стрелками 101 на фиг.1А.
Как это показано на фиг.1А, примерное известное уплотнительное кольцо 210 имеет форму поперечного сечения в виде буквы "Н," и легко может быть разбито на радиально внутренний кольцевой участок ("корпус") 210В, радиально внешний кольцевой участок ("ласточкин хвост") 210D и средний участок ("шейка") 210N.
Ласточкин хвост 210D входит в паз 112 в неподвижном элементе 110. Одна или несколько радиально-ориентированных пружин 113, установленных внутри самого наружного участка паза 112 над ласточкиным хвостом 210D, толкают примерное известное уплотнительное кольцо 210 радиально внутрь к вращающемуся элементу 122, а также позволяют иметь некоторое радиальное расширение или смещение примерного известного уплотнительного кольца 210 в направлении удаления от вращающегося элемента 122.
Было принято, что термин "расположенный выше по течению" участок относится к участку с относительно более высоким давлением рабочей жидкости; а термин "расположенный ниже по течению" участок относится к участку с относительно более низким давлением потока рабочей жидкости. На фиг.1А и на других фигурах, где показаны продольные сечения, расположенный выше по течению участок обычно находится слева, а расположенный ниже по течению участок обычно находится справа.
Расположенный выше по течению заплечик 114 и противоположный расположенный ниже по течению заплечик 115 паза 112 ограничивает радиальное перемещение внутрь ласточкина хвоста 210D, так что создается постоянный радиальный зазор RC. Расположенный выше по течению заплечик 114 имеет расположенную выше по течению боковую поверхность 114n, а расположенный ниже по течению заплечик 115 имеет противоположную расположенную ниже по течению боковую поверхность 115n. Расположенная выше по течению боковая поверхность 114n и расположенная ниже по течению боковая поверхность 115n ограничивают осевое перемещение шейки 210N.
При работе турбины, примерное известное уплотнительное кольцо 210 служит для удержания большей части рабочего флюида, который в противном случае мог бы вытекать через пространства между вращающимся элементом 122 и окружающим его неподвижным элементом 110 турбины.
Как это показано на фиг.1А, корпус 210В известного уплотнительного кольца 210 имеет участок дросселирования (регулирования расхода флюида), который содержит множество примерных элементов 225 дросселирования, таких как, например, зубья, заостренные зубья, полоски или уплотняющие полоски, что само по себе известно. Элементы 225 дросселирования могут быть вытравлены в корпусе 210В, выдавлены из него, прикреплены к нему или иным образованы на корпусе 210В. Элементы 225 дросселирования идут радиально внутрь от корпуса 210В в направлении внешней поверхности 126 вращающегося элемента 122. Элементы 225 дросселирования могут имеет различную длину, в диапазоне от самого короткого элемента дросселирования, такого как элемент 225S дросселирования, до самого длинного элемента дросселирования, такого как элемент 225L дросселирования.
Радиальный зазор RC между элементами 225 дросселирования и внешней поверхностью 126 вращающегося элемента 122 представляет собой линейное расстояние между вершиной самого длинного элемента дросселирования, такого как, например, элемент 225L дросселирования, и внешней поверхностью 126 вращающегося элемента 122.
Как это показано на фиг.1А, некоторые элементы 225 дросселирования примерного известного уплотнительного кольца 210 соответствующим образом установлены напротив примерных выступающих участков 130 и 132 на внешней поверхности 126 вращающегося элемента 122, чтобы улучшить эффективность уплотнения за счет примерного известного уплотнительное кольцо 210. Примерные элементы дросселирования 225 не находятся в контакте с поверхностью 126 вращающегося элемента 122, а расположены в непосредственной близости от нее, создавая уплотнение от утечки пара.
Кольцевые камеры 134 могут быть образованы между индивидуальными элементами дросселирования. При работе турбины, элементы 225 дросселирования служат для удержания большей части рабочего флюида, который в противном случае мог бы вытекать через пространство между вращающимся элементом 122 и неподвижным элементом 110 турбины, который его окружает. Канал, образованный за счет каждого элемента дросселирования у внешней поверхности 126 вращающегося элемента 122, позволяет получить сужение, через которое должен проходить рабочий флюид.
Рабочий флюид 101, проходящий через такое сужение, подвергается эффекту дросселирования, который создает движение флюида, имеющее как осевой, так и радиальный компоненты, и сопровождается снижением давления рабочего флюида. В большинстве известных уплотняющих устройств создают множество сужений за счет построения матрицы уплотнительных колец, таких как примерное известное уплотнительное кольцо 210, расположенных последовательно друг за другом с образованием комплектов уплотнительных колец. Эта схема расположения создает последовательное дросселирование рабочего флюида 101, причем каждое дросселирование сопровождается снижением его давления.
Однако, каждое последовательное сужение создает все меньшее снижение давления. Таким образом, уплотняющее устройство с множеством элементов дросселирования не может полностью устранить утечку рабочего флюида. Более того, число элементов дросселирования, которое практически может быть использовано в конкретной конструкции, ограничено рядом факторов, таких как объем имеющегося осевого пространства, в котором могут быть расположены зубья.
Все вращающиеся элементы турбин работают с некоторым радиальным амплитудным перемещением, то есть с вибрацией. Это означает, что вращающийся элемент имеет колебания с амплитудой на каждой стороне его центральной продольной оси при данном фазовом угле. Обычные уплотнительные кольца не позволяют регулировать их радиальное положение во время работы. Любой контакт между вращающимся элементом и элементами дросселирования уплотнительного кольца приводит к повышенному уровню вибраций уплотнительного кольца, к не устраняемому повреждению элементов дросселирования и к возможному повреждению вращающегося элемента. Для предотвращения такого контакта, обычные уплотнительные кольца должны иметь относительно большой радиальный зазор и правильное внутреннее совмещение, чего очень трудно добиться.
Одной из основных проблем, связанных с известными в настоящее время конструкциями уплотнений, является то, что их эффективность зависит от поддержания точного радиального совмещения с вращающимся элементом в течение всего срока работы турбины. Если радиальное совмещение нарушено на малую величину, то могут возникать контакты ("трение") между элементами 225 дросселирования и вращающимся элементом 122, приводящие к повреждению уплотнений и к снижению эффективности преобразования энергии. Единственной возможности коррекции снижения эффективности является замена поврежденных уплотнений. Однако, фирмы-производители энергии используют турбины в течение времени от 7 до 12 лет между ремонтами с заменой уплотнений, так что снижение эффективности может быть очень тяжелым и дорогостоящим для них.
Так как максимальная уплотняющая эффективность достигается при минимальном радиальном зазоре, точное поддержание радиального совмещения уплотнительного кольца требует поддержания минимально выполнимого радиального зазора RC. Трение приводит к износу элементов дросселирования и снижает уплотняющую эффективность известного примерного уплотнительного кольца 210 за счет нежелательного увеличения зазора RC. Трение чаще всего возникает за счет переходных режимов при работе турбины, когда вращающийся элемент 122 может смещаться из его нормального положения в направлении известного уплотнительного кольца 210. Это смещение часто совпадает с запуском или остановом турбины, со сбросами нагрузки или с превышениями допустимой скорости. Таким образом, желательно исключать такое смещение, чтобы предотвращать трение.
Уже были предприняты различные попытки снижения до минимума или исключения контакта между элементами 225 дросселирования и вращающимся элементом 122, чтобы избежать износа элементов дросселирования и снижения эффективности уплотнительного кольца. Например, в патенте США No. 5,599,026 описано использование трущихся полосок в сочетании с элементами дросселирования уплотнительного кольца, чтобы исключить контакт между элементами дросселирования и вращающимся элементом, для которого элементы дросселирования образуют уплотнение.
На фиг.2 показано частично продольное сечение лабиринтного уплотняющего устройства, имеющего трущиеся полоски, расположенные вокруг вращающегося элемента турбины. Как это показано на фиг.2, трущиеся полоски 232 представляют собой полоски материала, ориентированные параллельно элементам 225 дросселирования уплотнительного кольца 210, и которые имеют зазор RCR относительно вращающегося элемента 122, который меньше чем радиальный зазор RC. Таким образом, трущиеся полоски 232 будут первым компонентом уплотнительного кольца 210, который войдет в контакт с вращающимся элементом 122, если режим работы турбины заставит вращающийся элемент 122 сместиться из его нормального положения в направлении уплотнительного кольца 210.
Таким образом, трущиеся полоски защищают элементы 225 дросселирования и поддерживают радиальный зазор RC, пока не произойдет их износ в такой степени, что начинается износ элементов дросселирования, который нежелательно увеличивает радиальный зазор RC.
Другой модификацией конструкции, которая позволяет снижать утечку рабочей жидкости, является использование элементов дросселирования с переменным углом, в форме зубцов, которые направлены против общего направления потока утечки. Такие элементы дросселирования расположены не перпендикулярно к центральной продольной оси Z вращающегося элемента 122, а под углом к ней. Это иногда называют "елочной" конструкцией, которую применяют у периметра лопаточного венца или его окружающего бандажа, как это показано в патенте США No. 3,897,169.
Еще одной модификацией конструкции, которая позволяет снижать утечку рабочего флюида, является введение одной или нескольких создающих вихрь и сброс давления структур в уплотнительное кольцо. Такие структуры снижают падение давления на элементах дросселирования и уменьшает количество пара, утечка которого может происходить за ними, как это показано в патенте США No. 5,735,667.
Краткое изложение проблем известного уровня техники
Как уже было указано выше, радиальный зазор RC, который разделяет внешнюю поверхность вращающегося элемента турбины от самых внутренних кромок самых длинных элементов дросселирования обычного уплотнительного кольца, служит для исключения контакта между ними.
Контроль связанных с утечкой потерь в турбине позволяет получить значительную финансовую экономию, если поддерживать реальный радиальный зазор уплотнительного кольца на его исходном, установленном на заводе, заданном или проектном значении ("проектный радиальный зазор"), или близко к этому.
Поддержание радиального зазора равным проектному радиальному зазору, или близко к этому, требует снижения до минимума любого увеличения радиального зазора, возникающего за счет трения. В случае паровой турбины, эффективность известных уплотнительных колец существенно зависит от поддержания самого узкого радиального зазора между их элементами дросселирования и вращающимся элементом турбины. Радиальный зазор создает пространство, в которое происходит утечка рабочего флюида. С течение времени, когда элементы дросселирования получают рабочий износ, степень утечки в пространство радиального зазора возрастает, что приводит к снижению эффективности преобразования энергии турбиной. Если при эксплуатации происходит уход параметров турбины и вращающийся элемент входит в контакт с элементами дросселирования, они будут повреждены и утечка рабочего флюида возрастет нежелательным образом.
В настоящее время, эффективность известных уплотнительных колец не удается больше повышать существенным образом. Все проведенные модификации известных уплотнительных колец позволяют улучшать эффективность уплотнения только в течение небольшого промежутка времени в течение срока службы паровой турбины. Например, уплотнительные кольца с использованием трущихся полосок временно переносят риск контакта с вращающимся элементом с элементов дросселирования на трущиеся полоски. Однако, после износа трущихся полосок происходит контакт элементов дросселирования с вращающимся элементом, что полностью вычеркивает выигрыш в эффективности, полученный за счет трущихся полосок.
В связи с изложенным, существует необходимость в создании уплотнительного кольца, уплотняющая эффективность которого не снижается при его работе и обеспечивается в течение всего срока службы паровой турбины.
Сущность изобретения
Настоящее изобретение позволяет удовлетворить указанную потребность за счет создания плавающего уплотнительного кольца, которое эффективно сохраняет свой проектный радиальный зазор, вне зависимости от кратковременно возникающих радиальных смещений вращающегося элемента. Таким образом, в соответствии с настоящим изобретением предлагается уплотнительное кольцо, фактические радиальные смещения которого связаны с радиальными смещениями вращающегося элемента, который он окружает, так что в течение всего срока службы паровой турбины, фактический радиальный зазор поддерживается равным проектному радиальному зазору плавающего уплотнительного кольца.
Если вращающийся элемент турбины изменяет свое радиальное положение относительно плавающего уплотнительного кольца в соответствии с настоящим изобретением, то по меньшей мере один датчик входит в контакт с вращающимся элементом и передает радиальный компонент силы контакта через плавающее уплотнительное кольцо к комплекту устройств подвески, который, в течение всего срока службы паровой турбины, поддерживают плавающее уплотнительное кольцо при его проектном радиальном зазоре, без повреждения элементов дросселирования плавающего уплотнительного кольца.
Намного более узкий радиальный зазор может поддерживаться за счет плавающего уплотнительного кольца в соответствии с настоящим изобретением, причем, в отличие от обычных уплотнительных колец, его внутреннее совмещение в турбине не является критическим для создания надлежащего уплотнения тракта протекания пара.
Таким образом, задачей настоящего изобретения является:
1) создание плавающего уплотнительного кольца, сегмента плавающего уплотнительного кольца и устройства, содержащего несколько плавающих уплотнительных колец, радиальный зазор которого по существу поддерживается равным проектному радиальному зазору при любом радиальном смещении вращающегося элемента, для которого оно (кольцо) создает уплотнение;
2) создание плавающего уплотнительного кольца, сегмента плавающего уплотнительного кольца и устройства, содержащего несколько плавающих уплотнительных колец, что устраняет необходимость в ласточкином хвосте, который имеется в известном уплотнительном кольце. Исключение ласточкина хвоста 210D (фиг.1А, 1В и 2), который расположен за заплечиками 114, 115 (фиг.1А и 2) паза 112 (фиг.1А и 2), позволяет уплотнительному кольцу 210 свободно занимать любое радиальное положение. В отличие от этого, ласточкин хвост известного уплотнительного кольца действует как устройство фиксации радиального положения, устанавливающее фиксированный радиальный зазор между вращающимся элементом и уплотнительным кольцом, регулирование которого невозможно после того, как турбину закрывают для начала ее работы. Если радиальное совмещение между вращающимся элементом и неподвижным уплотняющим устройством отклоняется всего только на малую величину (например, .010 дюйма), то возникает трение между вращающимся элементом и неподвижным уплотняющим устройством, вызывающее постоянную потерю эффективности и возможность повреждения вращающегося элемента, в зависимости от степени и продолжительности трения;
3) создание плавающего уплотнительного кольца, сегмента плавающего уплотнительного кольца и устройства, содержащего несколько плавающих уплотнительных колец, для уплотнения турбины от утечки рабочего флюида, причем плавающее уплотнительное кольцо (или его сегмент) соосно расположено вокруг вращающегося элемента турбины и выступает из неподвижного элемента турбины, причем указанное уплотнительное кольцо (или его сегмент) подвергается радиальным смещениям, которые связаны с радиальными смещениями вращающегося элемента, так что проектный радиальный зазор по существу поддерживается без повреждения указанного устройства;
4) создание плавающего уплотнительного кольца, сегмента плавающего уплотнительного кольца и устройства, содержащего несколько плавающих уплотнительных колец, для уплотнения турбины от утечки рабочего флюида, причем указанное уплотнительное кольцо (или его сегмент) расположено с возможностью скольжения в пазу неподвижного элемента турбины, при этом указанное уплотнительное кольцо (или его сегмент) содержит корпус, имеющий элементы дросселирования, головку и по меньшей мере один датчик, связанный по меньшей мере с одним комплектом устройств подвески, причем, в течение срока службы паровой турбины, комплект устройств подвески подвешивает уплотнительное кольцо (или его сегмент) соосно относительно вращающегося элемента турбины при проектном радиальном зазоре и поддерживает уплотнительное кольцо (или его сегмент) при проектном радиальном зазоре без повреждения элементов дросселирования, всякий раз когда датчик контактирует с вращающимся элементом;
5) создание способа использования плавающего уплотнительного кольца или сегмента, который включает в себя следующие операции:
a) использование уплотнительного кольца (или сегмента), содержащего головку и корпус, имеющий элементы дросселирования, выступающие радиально из него;
b) использование по меньшей мере одного комплекта устройств подвески, который подвешивает уплотнительное кольцо или сегмент при проектном радиальном зазоре;
c) установка датчика между элементами дросселирования;
d) соединение датчика с комплектом устройств подвески, таким образом, что комплект устройств подвески поддерживает уплотнительное кольцо или сегмент при проектном радиальном зазоре без повреждения элементов дросселирования, всякий раз когда датчик контактирует с вращающимся элементом;
6) создание способа уплотнения турбины, имеющей вращающийся элемент и неподвижный элемент, от утечки рабочего флюида, который включает в себя следующие операции:
a) определение центральной продольной оси, относительно которой вращается вращающийся элемент;
b) определение проектного радиального зазора между самым длинным элементом дросселирования плавающего уплотнительного кольца и внешней поверхностью вращающегося элемента;
c) соосная подвеска плавающего уплотнительного кольца от неподвижного элемента, при проектном радиальном зазоре, при помощи по меньшей мере одного комплекта устройств подвески уплотнительного кольца, причем указанный комплект устройств подвески соединен по меньшей мере с одним датчиком уплотнительного кольца;
d) по существу поддержание уплотнительного кольца при проектном радиальном зазоре без повреждения какого-либо из его элементов дросселирования, всякий раз когда датчик контактирует с вращающимся элементом.
Краткое описание чертежей
На фиг.1А частично показано продольное сечение известного лабиринтного уплотняющего устройства, установленного вокруг вращающегося элемента примерной турбины.
На фиг.1В показано осевое поперечное сечение известного лабиринтного уплотняющего устройства, установленного вокруг вращающегося элемента примерной турбины.
На фиг.2 частично показано продольное сечение известного лабиринтного уплотняющего устройства, установленного вокруг вращающегося элемента примерной турбины, в котором используют трущиеся полоски.
На фиг.3 схематично показан вид в перспективе примерного вращающегося элемента машины, такой как, например, турбина.
На фиг.4 схематично показан вид в перспективе примерного вращающегося элемента, показанного на фиг.3, охваченного при помощи плавающего уплотнительного кольца в соответствии с настоящим изобретением.
На фиг.5 показано осевое поперечное сечение плавающего уплотнительного кольца в соответствии с настоящим изобретением, где можно видеть примерный вариант устройства подвески.
На фиг.6А показан вид спереди примерной пластинчатой пружины, образующей устройство подвески плавающего уплотнительного кольца в соответствии с настоящим изобретением.
На фиг.6В показан вид сверху примерной пластинчатой пружины, образующей устройство подвески плавающего уплотнительного кольца в соответствии с настоящим изобретением.
На фиг.7 схематично показан вид в перспективе полукруглого участка неподвижного элемента турбины, имеющего паз для приема плавающего уплотнительного кольца в соответствии с настоящим изобретением.
На фиг.8 схематично показан вид в перспективе полукруглого участка неподвижного элемента турбины, показывающий расположение полукруглого участка плавающего уплотнительного кольца в соответствии с настоящим изобретением в пазу для его приема.
На фиг.9 частично показано продольное сечение плавающего уплотнительного кольца в соответствии с настоящим изобретением, установленного вокруг вращающегося элемента примерной турбины.
Подробное описание изобретения
Ранее проведения описания настоящего изобретения следует указать, что настоящее изобретение не ограничено описанными конкретными вариантами, которые, само собой разумеется, могут быть изменены. Также следует иметь в виду, что использованная здесь терминология служит только для описания конкретных вариантов и не имеет ограничительного характера, причем объем настоящего изобретения ограничен только приложенной формулой изобретения.
В описании использованы следующие термины:
а) термин "радиальный зазор" определен как расстояние между внешней поверхностью вращающегося элемента турбины и самой внутренней кромкой самого длинного элемента дросселирования уплотнительного кольца;
b) термин "фактический радиальный зазор" определен как мгновенное, возникающее время от времени или рабочее расстояние между внешней поверхностью вращающегося элемента турбины и самой внутренней кромкой самого длинного элемента дросселирования уплотнительного кольца;
c) термин "проектный радиальный зазор" определен как исходный, установленный на заводе, предпочтительный или заданный иным образом радиальный зазор;
d) термин "связан" в применении к зависимости между устройством подвески и датчиком означает, что устройство подвески имеет связь с силами или сигналами, генерируемыми, передаваемыми или транслируемыми при помощи датчика, или чувствительно к ним;
e) термин "связан" в применении к зависимости между плавающим уплотнительным кольцом, его сегментом или матрицей таких колец, и вращающимся элементом означает, что плавающее уплотнительное кольцо, его сегмент или матрица таких колец испытывает радиальное смещение, по существу сопутствующее радиальному смещению вращающегося элемента и по существу возникающее в ответ на него;
f) следует иметь в виду, что используемое в описании изобретения и в приложенной формуле изобретения единственное число не исключает использования множественного числа, если только из контекста прямо не следует иное. Так, например, ссылка на "трущуюся полоску" не исключает использования множества таких трущихся полосок.
На фиг.3 схематично показан вид в перспективе примерного вращающегося элемента турбины. На фиг.3 показано, что вращающийся элемент 122, имеющий внешнюю поверхность 126 и выступающие участки 130, 132, расположен вдоль центральной продольной оси Z, которая в целом параллельна векторам течения рабочего флюида, показанным стрелками 101.
На фиг.4 схематично показан вид в перспективе примерного вращающегося элемента 122, показанного на фиг.3, который охвачен при помощи плавающего уплотнительного кольца 310В соответствии с настоящим изобретением. На фиг.4 можно видеть корпус (внутренний участок кольца) 310В и расположенную выше по течению поверхность головки (внешнего участка кольца) 310Н плавающего уплотнительного кольца 310.
На фиг.4 показано одно примерное устройство подвески в виде пластинчатой пружины 360S. Пластинчатая пружина 360S представляет собой элемент комплекта, который содержит одно или несколько примерных устройств подвески, в виде пластинчатых пружин, причем указанная пружина прикреплена по окружности к расположенной выше по течению боковой стенке 313 головки 31 ОН при помощи пары болтов 364, пропущенных через пазы 365 примерной пружины подвески.
На фиг.5 показано осевое поперечное сечение плавающего уплотнительного кольца 310В соответствии с настоящим изобретением, где можно видеть другой вид примерного варианта устройства подвески в виде пластинчатой пружины 360S.
Как это показано на фиг.5, примерное плавающее уплотнительное кольцо содержит два примерных полукруглых сегмента плавающего уплотнительного кольца, совмещенных (соединенных) при помощи крепежных элементов, таких как, например, шпильки или болты (на фиг.5 не показаны), введенные в один или несколько комплектов спаренных отверстий 340, просверленных в соответствующих местах на противоположных сторонах сегментов уплотнительного кольца. Жесткое крепление сегментов плавающего уплотнительного кольца друг к другу гарантирует, что полученное плавающее уплотнительное кольцо будет иметь механические характеристики, соответствующие характеристикам непрерывного кольца. Плавающее уплотнительное кольцо также может иметь более двух сегментов плавающего уплотнительного кольца.
Пластинчатая пружина 360S представляет собой элемент комплекта, который содержит одну или несколько пластинчатых пружин, причем указанная пружина закреплена по окружности на головке 31 ОН при помощи пары болтов 364, пропущенных через пазы 365 в пружине подвески. Две такие пластинчатые пружины 360S установлены на расположенной выше по течению боковой стенке 313 головки 310Н (фиг.4).
На фиг.6А показан вид спереди примерной пластинчатой пружины 10, образующей устройство подвески плавающего уплотнительного кольца в соответствии с настоящим изобретением. На фиг.6В показан вид сверху примерной пластинчатой пружины, образующей устройство подвески плавающего уплотнительного кольца в соответствии с настоящим изобретением.
Как это показано на фиг.6А, пластинчатая пружина 360S имеет первую поверхность 362А передачи силы и противоположную параллельную вторую поверхность 362 В передачи силы. Первая поверхность 362А передачи силы и противоположная параллельная вторая поверхность 362 В передачи силы могут быть физическими или виртуальными. Первая поверхность 362А передачи силы и противоположная параллельная вторая поверхность 362 В передачи силы передают противоположные встречно-параллельные силы, генерируемые при помощи пластинчатой пружины 360S или при помощи альтернативного устройства подвески, как это описано далее более подробно.
Как это показано на фиг.6А, первая поверхность 362А передачи силы и противоположная параллельная вторая поверхность 362В передачи силы представляют собой параллельные поверхности на противоположных участках пластинчатой пружины 360S, которая является представителем устройства подвески и элементом комплекта устройств подвески. Таким образом, следует иметь в виду, что первая поверхность 362А передачи силы и противоположная параллельная вторая поверхность 362В передачи силы также являются представителями физических или виртуальных параллельных поверхностей на противоположных участках комплекта устройств подвески.
Как уже было указано выше, плавающее уплотнительное кольцо 310 может быть выполнено в виде единой детали, которая охватывает вращающийся элемент 122, или может иметь множество дуговых сегментов, например, четыре дуговых сегмента, каждый из которых идет в угле 90 градусов, так что когда эти сегменты механически соединяют конец к концу, они образуют полное плавающее уплотнительное кольцо, охватывающее в угле 360 градусов вращающийся элемент 122.
На фиг.7 схематично показан вид в перспективе полукруглого участка неподвижного элемента 110 турбины, имеющего паз 112 для приема плавающего уплотнительного кольца (на фиг.7 не показано) в соответствии с настоящим изобретением. Паз 112 в неподвижном элементе 110 имеет расположенный выше по течению заплечик 114 и противоположный расположенный ниже по течению заплечик 115. Расположенный выше по течению заплечик 114 имеет расположенную выше по течению боковую поверхность 114n, а расположенный ниже по течению заплечик 115 имеет противоположную расположенную ниже по течению боковую поверхность 115n.
На фиг.8 схематично показан вид в перспективе полукруглого участка неподвижного элемента 110 турбины, где показан более подробно внутренний полукруглый сегмент плавающего уплотнительного кольца 310В соответствии с настоящим изобретением. Плавающее уплотнительное кольцо 310 расположено в пазу 112.
Как это показано на фиг.8, корпус 310В плавающего уплотнительного кольца 310 имеет участок дросселирования, содержащий множество примерных элементов 225 дросселирования, таких как, например, зубья, заостренные зубья, полоски или уплотняющие полоски, что само по себе известно. Элементы 225 дросселирования могут быть вытравлены в корпусе 310В, выдавлены из него, прикреплены к нему или иным образованы на корпусе 310В, и идут по окружности внутри корпуса 310В. Кольцевые камеры 134 могут быть образованы между индивидуальными элементами дросселирования.
Как это показано на фиг.8, датчик 330 расположен между элементами 225 дросселирования, как это описано далее более подробно. На фиг.8 показано примерное отверстие 340 совмещения (совпадающее с аналогичным отверстием на ответном дуговом сегменте кольца), которое обеспечивает совмещение дуговых сегментов, как уже было указано здесь выше, в тех случаях, когда плавающее уплотнительное кольцо 310 образовано из таких сегментов. Например, как это показано на фиг.8, плавающее уплотнительное кольцо 310 содержит два дуговых сегмента с углом 180 градусов. Крепежный элемент, такой как болт или шпилька, вводят в примерное отверстие 340 совмещения, чтобы физически соединить один сегмент плавающего кольца с другим сегментом и образовать полное, по существу жесткое уплотнительное кольцо. Преимущество использования уплотнительного кольца, которое плотно механически соединено, связано с исключением утечки между поверхностями раздела сегментов, которая может возникать в обычных уплотнительных кольцах.
Радиальный зазор RC между элементами 225 дросселирования и внешней поверхностью 126 вращающегося элемента 122 определен как линейное расстояние между самым длинным элементом дросселирования, таким как, например, элемент 225L дросселирования, и внешней поверхностью 126 (фиг.3) вращающегося элемента 122 (фиг.3). Плавающее уплотнительное кольцо 310 установлено при проектном радиальном зазоре, соответствующем конкретной турбине, в которой используют такое кольцо.
Примерные элементы 225 дросселирования не находятся в контакте с поверхностью 126 (фиг.3) вращающегося элемента 122 (фиг.3), но расположены очень близко от нее, оставляя зазор RC между поверхностью вращающегося элемента 122 и самым длинным элементы 225L дросселирования, что позволяет создать эффективное уплотнение от утечки потока пара.
Как это показано на фиг.8, головка 31 ОН плавающего уплотнительного кольца 310 имеет расположенную выше по течению боковую стенку 313 и расположенную ниже по течению боковую стенку 314. Для упрощения чертежа, устройство 360S подвески комплекта устройств подвески, показанное на фиг.4, на фиг.8 не показано. Однако, двунаправленными стрелками 363 показаны векторы встречно-параллельных сил, которые передаются при помощи любого элемента комплекта устройств подвески (фиг.4) к расположенной выше по течению боковой поверхности 114n расположенного выше по течению заплечика 114 и к расположенной ниже по течению боковой поверхности 115n расположенного ниже по течению заплечика 114 паза 112.
На фиг.9 частично показано продольное сечение плавающего уплотнительного кольца 310В соответствии с настоящим изобретением, расположенного вокруг вращающегося элемента 122 турбины. Плавающее уплотняющее устройство 310 может иметь множество таких плавающих уплотнительных колец, расположенных вдоль оси вращающегося элемента 122.
Плавающее уплотнительное кольцо 310 охватывает вращающийся элемент 122, занимая пространство между вращающимся элементом 122 и неподвижным элементом 110 турбины, чтобы снизить до минимума утечку флюида между различными областями, через которые проходит вращающийся элемент 122. Несмотря на то, что весь вращающийся элемент 122 и все детали вращающегося элемента 122 не показаны, следует иметь в виду, что вращающийся элемент 122 представляет собой участок полного вращающегося элемента турбины, который содержит все средства отбора энергии вращения, полученной за счет тепловой и кинетической энергии рабочего флюида 101.
Как это показано на фиг.9, плавающее уплотнительное кольцо 310 имеет поперечное сечение в целом в виде перевернутой буквы "Т," и легко может быть подразделено на радиально внутренний участок кольца ("корпус") 310В и участок головки ("головка") 310Н. Несмотря на то, что такая форма кольца может быть предпочтительной по соображениям прочности, легкости монтажа и замены, следует иметь в виду, что специалистами в данной области могут быть использованы и другие подходящие формы.
В отличие от обычных уплотнительных колец, которые были описаны выше, плавающее уплотнительное кольцо 310 не имеет ласточкина хвоста, такого как ласточкин хвост 210D, показанный на фиг.1А и 2. Исключение ласточкина хвоста плавающего уплотнительного кольца 310 позволяет исключить средство, при помощи которого останавливают радиальное перемещение внутрь обычного уплотнительного кольца, расположенного в пазу, таком как паз 112, что позволяет плавающему уплотнительному кольцу 310 свободно занимать надлежащее радиальное положение относительно внешней поверхности 126 вращающегося элемента 122, как это описано далее более подробно.
Как это показано на фиг.9, головка 31 ОН расположена в пазу 112 неподвижного элемента 110, так что его расположенная выше по течению боковая стенка 313 и противоположная расположенная ниже по течению боковая стенка 314 будут параллельны и расположены напротив расположенной выше по течению боковой поверхности 114n заплечика 114 паза 112 и противоположной расположенной ниже по течению боковой поверхности 115n противоположного заплечика 115 паза 112.
На фиг.9 показано устройство 360 подвески, которое является представителем комплекта устройств подвески, содержащего по меньшей мере одно устройство подвески ("комплект устройств подвески"). На фиг.9 показан комплект 360 устройств подвески, расположенный между расположенной выше по течению боковой поверхностью 114n паза 112 и расположенной выше по течению боковой стенкой 313 корпуса 310В.
В этой схеме расположения:
a) первая поверхность 362А передачи силы комплекта 360 устройств подвески имеет контакт скольжения с расположенной выше по течению боковой поверхностью 114n заплечика 114 паза 112;
b) вторая поверхность 362 В передачи силы комплекта 360 устройств подвески прикреплена к расположенной выше по течению боковой стенке 313 головки 310Н; и
c) расположенная ниже по течению боковая стенка 314 головки 31 ОН имеет контакт скольжения с расположенной ниже по течению боковой поверхностью 115n заплечика 115 паза 112.
В отличие от обычных уплотнительных колец, которые были описаны выше, показанный на фиг.9 паз 112 не имеет внешней радиально ориентированной пружины, такой как пружина 113, показанная на фиг.1А и на фиг.1В.
Продольная ширина поперечного сечения головки 310Н уже чем продольная ширина сечения поперечного сечения шейки 210N обычного уплотнительные кольца 210, показанного на фиг.1А, так что плавающее уплотнительное кольцо 310 (или его сегмент), с установленным на место устройством 360 подвески (как это показано на фиг.9), легко может быть введено в паз 112 (не имеющий пружины 113, показанной на фиг.1А), уже существующий, например, в неподвижном элементе турбины и предназначенный для приема обычного уплотнительного кольца, такого как примерное известное уплотнительное кольцо 210, показанное на фиг.1А.
Как это показано на фиг.9, из корпуса 310В плавающего уплотнительного кольца 310Выступает участок дросселирования, который содержит множество примерных элементов 225 дросселирования, таких как, например, зубья, заостренные зубья, полоски или уплотняющие полоски, что само по себе известно. Элементы 225 дросселирования могут быть вытравлены в корпусе 310В, выдавлены из него, прикреплены к нему или иным образованы на корпусе 310В, и идут по окружности корпуса 310В. Элементы 225 дросселирования идут радиально внутрь от корпуса 310В в направлении внешней поверхности 126 вращающегося элемента 122. Элементы 225 дросселирования могут иметь различную длину, начиная от самого короткого элемента дросселирования, такого как элемент 225S дросселирования, и заканчивая самым длинным элементом дросселирования, таким как элемент 225L дросселирования.
Радиальный зазор RC между самыми длинными элементами 225 дросселирования и внешней поверхностью 126 вращающегося элемента 122 был определен как линейное расстояние между самьм длинным элементом дросселирования, таким как, например, элемент 225L дросселирования, и внешней поверхностью 126 вращающегося элемента 122. Круг (solid) вращения, соответствующий радиальному зазору (кольцевой объемный зазор), может быть образован за счет вращения радиального линейного сегмента, соответствующего расстоянию RC, вокруг центральной продольной оси Z.
Как это показано на фиг.9, некоторые элементы 225 дросселирования плавающего уплотнительного кольца 310 установлены напротив примерных выступающих участков 130 и 132 на внешней поверхности 126 вращающегося элемента 122, чтобы повысить уплотняющую эффективность плавающего уплотнительного кольца 310. Элементы 225 дросселирования не находятся в контакте с поверхностью 126 вращающегося элемента 122, но расположены в непосредственной близости от нее, с сохранением зазора RC между поверхностью вращающегося элемента 122 и элементами 225 дросселирования, что создает эффективное уплотнение от утечки потока пара.
Кольцевые камеры 134 могут быть образованы между индивидуальными элементами дросселирования. При работе турбины элементы 225 дросселирования служат для того, чтобы удерживать большую часть рабочего флюида, который в противном случае мог бы вытекать через пространства между вращающимся элементом 122 и окружающим его неподвижным элементом 110 турбины. Канал, образованный при помощи каждого элемента дросселирования у внешней поверхности вращающегося элемента 122, образует сужение, через которое должен проходить рабочий флюид.
При работе турбины, примерное плавающее уплотнительное кольцо 310 служит для удержания большей части рабочего флюида, который в противном случае мог бы вытекать через пространства между вращающимся элементом 122 и окружающим его неподвижным элементом 110 турбины. Дополнительные плавающие уплотнительные кольца 310 могут быть установлены последовательно вдоль вращающегося элемента 122.
Плавающее уплотнительное кольцо 310 дополнительно содержит по меньшей мере один комплект устройств подвески, такой как примерное устройство 360 подвески. Устройство 360 подвески при работе связано с датчиком 330, за счет способности плавающего уплотнительного кольца 310 механически передавать оказывающие воздействие силы на датчик 330.
При работе турбины, устройство 360 подвески генерирует встречно-параллельные векторы силы (показанные двунаправленной стрелкой 363), соответственно направленные к расположенной выше по течению боковой поверхности 114n и к расположенной ниже по течению боковой поверхности 115n паза 112, причем указанные векторы силы по существу являются параллельными центральной продольной оси Z вращающегося элемента 122 и по существу поддерживают плавающее уплотнительное кольцо 310 при радиальном зазоре RC.
Устройством 360 подвески может быть любое устройство (устройства), которое генерирует встречно-параллельные силы (показанные двунаправленной стрелкой 363), которые прямо или косвенно поддерживают расположенную ниже по течению боковую стенку 314 в контакте скольжения с расположенной ниже по течению боковой поверхностью 115n.
Встречно-параллельными силами могут быть, например, физические, механические, электрические, магнитные, гравитационные, гидравлические или флюидные по своей природе силы. Механические встречно-параллельные силы могут быть созданы, например, при помощи соответствующей пружины, такой как, например, пластинчатая пружина 360S, показанная на фиг.4
Встречно-параллельные силы, генерируемые при помощи устройства 360 подвески, также служат для поддержания плавающего уплотнительного кольца 310 при осевом совмещении относительно вращающегося элемента 122.
Как это схематично показано на фиг.9, устройство 360 подвески может передавать свои встречно-параллельные силы на противоположные параллельные поверхности 362А и 362В передачи силы. Поверхность 362А передачи силы имеет контакт скольжения с расположенной выше по течению боковой стенкой 114n заплечика 114, а поверхность 362В передачи силы прикреплена к расположенной выше по течению боковой стенке 313 головки 310Н.
Как это показано на фиг.9, датчик 330 содержит одну или несколько полосок близости (proximity, приближения, контроля зазора), каждая из которых имеет форму буквы "Т", когда они радиально расположены относительно вращающегося элемента 122, с открытой длиной, которая превышает длину самого длинного элемента дросселирования. Каждая полоска близости прикреплена к плавающему уплотнительному кольцу 310, так что она расположена внутри кольцевого объемного зазора. Полоски близости могут быть изготовлены, например, из сплава Stelite, сплава нимоник, углерода или из их комбинации.
Датчик 330 может быть выполнен как интегральное удлинение корпуса 310В плавающего уплотнительного кольца 310 или может быть прикреплен к нему с возможностью отсоединения как замена любого элемента 225 дросселирования.
Материал датчика 330 может быть выбран в зависимости от конкретного вида применения. Материал датчика 330 преимущественно должен:
a) иметь низкий коэффициент трения;
b) обладать высокой износостойкостью; и
c) создавать минимальное повреждение вращающегося элемента в моменты контакта с ним.
В качестве примеров возможных материалов, которые могут быть использованы для устройства 330 определения радиального положения (для датчика 330) можно привести (но без ограничения) сплав Stelite, сплав нимоник, углерод или их комбинацию. Например, датчик 330 может быть изготовлен из сплава нимоник и иметь на самой внутренней поверхности слой углерода.
Датчик 330 расположен относительно вращающегося элемента 122 с радиальным зазором PRC близости, который меньше чем радиальный зазор RC. Таким образом, зазор PRC образует при вращении внутреннюю окружность объемного кольцевого зазора, которая находится внутри окружности объемного кольцевого зазора, образованной зазором RC. Если вращающийся элемент 122 выступает в объемный кольцевой зазор близости, образованный зазором PRC, и создает угрозу вторжения в объемный кольцевой зазор, образованный зазором RC, то его поверхность 126 входит в контакт с самой внутренней поверхностью датчика 330, что исключает контакт с любым элементом 225 дросселирования.
После контакта с датчиком 330, радиальный компонент силы, возникающий за счет такого контакта, передается через корпус 310В и головку 310Н плавающего уплотнительного кольца 310, мгновенно преодолевая встречно-параллельные силы 363, созданные при помощи комплекта 360 устройств подвески и перемещая со скольжением плавающее уплотнительное кольцо 310 относительно боковых поверхностей 114n и 115n в новое положение, так что его фактический радиальный зазор по существу поддерживается при проектном радиальном зазоре, без какого-либо повреждения элементов 225 дросселирования в результате переходных изменений положения.
Когда контакт с датчиком 330 близости прекращается, уплотнительное кольцо устанавливается в новое радиальное положение относительно вращающегося элемента 122, при котором вращающийся элемент 122 больше не имеет контакта с датчиком 330 близости или имеет такой легкий контакт, что амплитуда любого радиального компонента силы контакта слишком мала, чтобы переместить плавающее уплотнительное кольцо 310. Таким образом, плавающее уплотнительное кольцо 310 не будет оказывать трения или трение будет пренебрежимо малым.
Несмотря на то, что был описан предпочтительный вариант осуществления изобретения, совершенно ясно, что в него специалистами в данной области могут быть внесены изменения и дополнения, которые не выходят однако за рамки приведенной далее формулы изобретения.