УПЛОТНИТЕЛЬНЫЙ ЭЛЕМЕНТ ДЛЯ УПЛОТНЕНИЯ ЗАЗОРА
SEALING ELEMENT FOR SEALING GAP

Изобретение относится к уплотнительному элементу для уплотнения зазора, который образован между двумя термически движущимися конструктивными элементами с лежащими противоположно друг другу соответствующими канавками конструктивных элементов. Кроме того, изобретение относится к таким уплотнительным системам, содержащим установленный в лежащих противоположно друг другу канавках конструктивных элементов уплотнительный элемент.
В газовых турбинах, например, платформы турбинных направляющих лопаток ограничивают также кольцеобразный путь прохождения потока создаваемого в камерах сгорания газовой турбины горячего газа. При этом платформы соседних турбинных направляющих лопаток расположены рядом друг с другом с образованием зазора. Для предотвращения потери горячего газа через эти зазоры и одновременного исключения повреждения расположенных на задней стороне опорных конструктивных элементов известно уплотнение зазоров с помощью уплотнительного элемента, который сидит в двух лежащих противоположно друг другу канавках конструктивных элементов. Такое расположение уплотнения известно из ЕР 0852659 В1. Известное из этой публикации пластинчатое уплотнение из металлического листа имеет на одной стороне зубчатую (рифленую) поверхность.
Было установлено, что выполненные так уплотнения из металлического листа могут подвергаться сильному износу, например, при термически подвижных относительно друг друга конструктивных элементах. В соответствии с этим может ухудшаться требуемая функция уплотнения и значительно ограничиваться работоспособность системы. Кроме того, могут возникать также проблемы при монтаже известного уплотнения из металлического листа, которые могут приводить к нежелательным доработкам.
Поэтому задачей изобретения является создание имеющего большой срок службы уплотнительного элемента для уплотнения зазора, который обеспечивает эффективное уплотнение даже при сравнительно больших обусловленных нагреванием перемещениях конструктивных элементов.
Задача решена, согласно изобретению, с помощью уплотнительного элемента для уплотнения зазора между двумя термически подвижными относительно друг друга конструктивными элементами, которые имеют каждый лежащую противоположно друг другу канавку конструктивного элемента для размещения уплотнительного элемента, который направлен вдоль основной линии и имеет по существу в перпендикулярном основной линии поперечном сечении расположенную между первым концом и вторым концом среднюю зону с первой поверхностью, которая является зубчатой, отличающегося тем, что предпочтительно все уплотнительные зубцы имеют по существу прямоугольный контур поперечного сечения, и высота зубцов составляет между 10% и 40% измеряемой параллельно высоте зубцов толщины уплотнительного элемента, т.е. включая высоту зубцов.
Изобретение исходит из понимания того, что известное уплотнение из металлического листа имеет зубцы, высота которых является слишком большой относительно общей толщины уплотнительного металлического листа. Опорный участок зубцов уплотнительного металлического листа, на котором расположены уплотнительные зубцы, имеет тем самым недостаточную толщину материала, так что износ относительно тонкого опорного участка зубцов уплотнительных металлических листов может недопустимо сильно увеличиваться. Таким образом, при повышенной механической нагрузке на основании сравнительно больших сдвигов лежащих противоположно друг другу конструктивных элементов в опорном участке зубцов оставалось лишь сравнительно мало материала для износа. На основании сравнительно тонкого опорного участка зубцов при соответствующих термических перемещениях конструктивных элементов он может преждевременно локально изнашиваться. Это может приводить к частичному отказу известного уплотнительного металлического листа. В соответствии с изобретением, высота зубцов ограничена относительно общей толщины уплотнительного элемента и составляет между 10% и 40% толщины уплотнительного элемента. За счет этого опорный участок зубцов уплотнительного элемента, согласно изобретению, выполнен значительно толще, чем в известном уплотнительном металлическом листе, что приводит к увеличению длительной прочности и срока службы уплотнительного элемента.
В противоположность остро сужающихся в поперечном сечении уплотнительных зубцов известного из уровня техники уплотнительного элемента, уплотнительные зубцы, согласно изобретению, имеют почти прямоугольный контур поперечного сечения, за исключением зоны перехода к опорному участку зубцов. В соответствии с этим, уплотнительный элемент, согласно изобретению, имеет уплотнительные зубцы, боковые поверхности которых являются более крутыми, чем в ближайшем уровне техники. Уплотнительные зубцы выполнены также значительно более стройными, чем до настоящего времени. Из-за более крутых боковых поверхностей зубцов и более стройного выполнения уплотнительный элемент имеет улучшенную деформируемость (податливость) в зоне рифления, что обеспечивает возможность простого монтажа пластинчатого уплотнительного элемента в канавках конструктивных элементов. Если все же возникает износ, то он возникает сначала в по-новому выполненных зубцах и лишь затем в опорном участке зубцов. Это замедляет частичный отказ уплотнительного элемента.
Таким образом, уплотнительный элемент, согласно изобретению, отличается от известного уплотнения из металлического листа тем, что опорный участок уплотнительного элемента, согласно изобретению, является более жестким, чем в известном уплотнительном металлическом листе, а зона рифления уплотнительного элемента, согласно изобретению, является более мягкой, чем в известном уплотнительном элементе. Следовательно, произведена замена более жестких и более мягких зон.
Предпочтительные варианты выполнения изобретения указаны в зависимых пунктах формулы изобретения.
Кроме того, уплотнительный элемент имеет, независимо от своей относительной высоты зубцов, улучшенное уплотнительное действие, когда уплотнительные зубцы имеют прямоугольный контур поперечного сечения и их расстояние друг от друга уменьшено примерно в 1,6 раза относительно высоты уплотнительных зубцов. В соответствии с этим, устанавливается оптимальное расстояние между соседними зубцами и достигается оптимальное дросселирование зазора, так что обеспечивается улучшенное уплотнительное действие по сравнению с известным выполнением.
Целесообразно, толщина уплотнительных элементов составляет между 1,0 мм и 4,0 мм, а высота (Н) зубцов составляет между 1,0 и 1,6 мм, в частности между 0,3 и 0,7 мм.
Уплотнительные зубцы уплотнительного элемента предпочтительно имеют особую возможность согласования в виде улучшенной деформируемости, так что дополнительно обеспечивается возможность простого монтажа уплотнительных элементов даже при избыточном размере. Эта возможность согласования основывается на более крутых боковых поверхностях зубцов и более узких уплотнительных зубцах по сравнению с зубцами согласно уровню техники.
Кроме того, уплотнительный элемент имеет особую податливость при увеличенных смещениях и деформациях соседних конструктивных элементов, так что уплотнительный элемент особенно пригоден также для уплотнения конструктивных элементов со значительными смещениями и деформациями во время работы.
Ниже приводится более подробное пояснение изобретения со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых изображено:
фиг.1 - часть продольного разреза газотурбинной установки и
фиг.2 - поперечный разрез уплотнительной системы газотурбинной установки с уплотнительным элементом.
На фиг.1 показана ориентированная вдоль основной оси 14 газотурбинная установка 22. Она имеет корпус 17, чередующиеся в осевом направлении направляющие лопатки 12 и рабочие лопатки 15. Направляющие лопатки 12 направлены вдоль оси 18 перпендикулярно основной оси 14 и расположены вдоль окружности газотурбинной установки 22 с образование круга. Направляющие лопатки 12 соединены с помощью соответствующей пластины 16 направляющей лопатки с корпусом 17 газотурбинной установки 22. Вдоль окружности соседние направляющие лопатки 12 расположены с соответствующим зазором 5 друг от друга (см. фиг.2), за счет чего они максимально свободно могут термически расширяться. Пластина 16 направляющей лопатки отделяет образованную вокруг основной оси 14 газотурбинной установки 22 зону 11 горячего газа от образованной между пластиной 16 направляющей лопатки и корпусом 17 турбины зоны 8 охлаждающего газа. Рабочие лопатки 15 проходят вдоль соответствующей основной оси 19, которая также по существу перпендикулярна основной оси 14 газотурбинной установки. Рабочие лопатки 15 лежат полностью в зоне 11 горячего газа. Эта зона 11 горячего газа отделена с помощью множества стенных конструктивных элементов 13 вдоль окружности газотурбинной установки 22 от зоны 8 охлаждающего газа. При этом стенные конструктивные элементы 13 расположены у соответствующих рабочих лопаток 15. Стенные конструктивные элементы 13 соединены с корпусом 17 турбины. Для наглядности показана лишь одна направляющая лопатка 12, одна рабочая лопатка 15 и один стенной конструктивный элемент 13. В осевом направлении каждый стенной конструктивный элемент 13 расположен на расстоянии от соответствующей направляющей лопатки 12, в частности пластины 16 направляющей лопатки, за счет зазора 5. Этот зазор 5 уплотнен с помощью уплотнительного элемента 1, за счет чего максимально предотвращается прохождение потока охлаждающего газа из зоны 8 охлаждающего газа в зону 11 горячего газа. При этом направляющая лопатка 12 представляет первый конструктивный элемент 2а, а стенная часть 13 представляет второй конструктивный элемент 2b. Таким образом, в осевом направлении происходит уплотнение зоны 8 охлаждающего газа от зоны 11 горячего газа с помощью пластин 16 направляющих лопаток и стенных конструктивных элементов 13 и в окружном направлении уплотнение между соседними направляющими лопатками 12 и между, соответственно, соседними стенными конструктивными элементами 13.
На фиг.2 показан разрез вдоль окружности газотурбинной установки 22 двух соседних конструктивных элементов 2а, 2b. Оба конструктивных элемента 2а, 2b являются частью уплотнительной системы 2с и отделены друг от друга зазором 5. Конструктивные элементы 2а, 2b могут быть, соответственно, двумя соседними направляющими лопатками 12, в частности пластинами 16 направляющих лопаток, а также двумя соседними друг с другом стенными конструктивными элементами 13. В конструктивных элементах 2а, 2b предусмотрена в окружном направлении соответствующая канавка 3а, соответственно, 3b. В канавки 3а, 3b конструктивных элементов входит с уплотнением зазора 5 уплотнительный элемент 1. Уплотнительный элемент 1 ориентирован вдоль основной линии 21 и имеет в изображенном поперечном сечении перпендикулярно основной линии 21 первый конец 6а, второй конец 6b и лежащую между ними среднюю зону 10. Средняя зона 10 имеет в направлении зоны 8 охлаждающего газа несколько канавок 7 рифления, при этом между соседними канавками 7 рифления образован соответствующий уплотнительный зубец 20, за счет чего средняя зона 10 имеет рифление с одной стороны. Уплотнительные зубцы 20 расположены на опорном участке 18 зубцов уплотнительного элемента 1. Каждая канавка 7 рифления и каждый уплотнительный зубец 20 проходят параллельно основной линии 21 и перпендикулярно возможному потоку утечки.
Канавки 3а, 3b конструктивных элементов имеют каждая лежащие противоположно друг другу параллельные боковые стенки 9а, 9b канавок. Поскольку, как правило, давление охлаждающего газа выше давления горячего газа в зоне 11 горячего газа, то уплотнительный элемент 1 прилегает своей гладкой поверхностью к боковым стенкам 9а канавок 3а, 3b конструктивных элементов, так что уплотнительные зубцы 20 свободны от механической нагрузки.
При этом обе боковые стенки 9а, 9b канавки 3а, 3b конструктивного элемента лежат противоположно друг другу на расстоянии, которое называется также шириной В канавки. Ширина В канавки максимально в 1,1 раза больше полной толщины D уплотнительного элемента 1. Согласно первому варианту выполнения, ширина канавки составляет 2,5 мм, а ширина уплотнительного элемента 2,4 мм.
Уплотнительные зубцы 20 имеют высоту Н, которая составляет между 10% и 40% толщины уплотнительного элемента, например 5 мм. Это соответствует примерно 20,8% указанной выше толщины уплотнительного элемента. Одновременно уплотнительные зубцы 20 имеют на основании своего приблизительно прямоугольного контура поперечного сечения почти неизменную вдоль своей высоты ширину Z зубцов. Она составляет порядка 0,1-0,2 мм. Общая толщина D уплотнительного элемента 1 и ширина В канавки согласованы друг с другом так, что - при плоском прилегании гладкой стороны уплотнительного элемента 1 к боковой стенке 9а канавки с образованием зазора S между вершиной уплотнительного зубца и другой боковой стенкой 9b канавки 3а, 3b конструктивного элемента - среднее расстояние Т между двумя непосредственно соседними уплотнительными зубцами 20 по меньшей мере в 5 раз больше зазора S. По возможности, среднее расстояние Т также должен быть по существу в 1,6 раза больше высоты Н зубцов. Согласно первому варианту выполнения уплотнительной системы 2с, зазор S имеет величину 0,1 мм, а расстояние Т имеет величину 0,8 мм.
Естественно, что уплотнительные зубцы 20 не должны обязательно проходить перпендикулярно опорному участку 18 зубцов. Как показано справа на фиг.2 и обозначено позицией 22, они могут быть также слегка наклонены относительно нормали 23 опорного участка 18 зубцов.
В целом, изобретение относится к уплотнительному элементу 1 для уплотнения зазора 5 между двумя конструктивными элементами 2а, 2b, в частности к уплотнительной системе 2с газотурбинной установки, который проходит вдоль основной линии 21 и имеет контурированное поперечное сечение в рифленой средней зоне 10. В поперечном сечении уплотнительный элемент 1 ориентирован вдоль основной линии 21 и выполнен с возможностью деформации в направлении, по существу перпендикулярном основной линии 21. Для создания стойкого к износу, имеющего длительный срок службы уплотнительного элемента 1 с особенно эффективным запирающим действием предлагается, что уплотнительные зубцы 20 рифления имеют прямоугольный контур поперечного сечения, и высота Н зубцов составляет между 10% и 40% измеряемой параллельно высоте Н зубцов толщины D уплотнительного элемента. Эффективное уплотнение может быть также достигнуто, когда вместо этого уплотнительные зубцы 20 наряду с прямоугольным контуром поперечного сечения имеют расстояние Т друг от друга, которое в 1,6 раза больше средней высоты Н зубцов соответствующих уплотнительных зубцов 20. Средняя высота Н зубцов соответствует среднеарифметическому значению соответствующих высот зубцов.