АСПИРАТОРНОЕ ТОРЦЕВОЕ УПЛОТНЕНИЕ, ГАЗОТУРБИННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ С УКАЗАННЫМ УПЛОТНЕНИЕМ, СПОСОБ УПЛОТНЕНИЯ УКАЗАННОГО ДВИГАТЕЛЯ И СПОСОБ ЗАМЕНЫ ВТОРИЧНОГО УПЛОТНЕНИЯ УКАЗАННОГО ТОРЦЕВОГО УПЛОТНЕНИЯ (ВАРИАНТЫ)
ASPIRATING FACE SEAL, GAS TURBINE ENGINE HAVING SAID SEAL, METHOD OF SEALING OF SAID ENGINE AND METHOD OF REPLACING SECONDARY SEAL OF SAID FACE SEAL (VERSIONS)

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
[0001] Данное изобретение относится в целом к аспираторным торцевым уплотнениям и, более конкретно, к вторичному уплотнению, содержащему гибкие элементы аспираторного торцевого уплотнения, используемого в установках, например в газотурбинном двигателе.
ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0002] Торцевые уплотнения используются для сведения к минимуму протечки сжатой текучей среды, проходящей через зазор между двумя компонентами в установке от области с более высоким давлением к области с более низким давлением. Такие уплотнения обычно используются в ротационных установках, например в паровой турбине, газовой турбине и т.п. При применении, например, в газотурбинных двигателях аспираторные торцевые уплотнения используются для сведения к минимуму протечки текучей среды, такой как сжатый воздух или газообразные продукты сгорания, между ротором и статором. Указанные уплотнения, используемые в зазорах или в каналах протечки между статором и ротором, должны быть способны компенсировать изменения в зазорах, обусловленные относительными тепловыми и механическими расширениями компонента во время рабочего цикла установки.
[0003] Обычные аспираторные торцевые уплотнения, как правило, содержат обращенные друг к другу вращаемые и невращаемые уплотнительные элементы, причем вращаемый уплотнительный элемент либо присоединен к ротору, либо является его неотъемлемой частью. В таких уплотнениях, как правило, невращаемый уплотнительный элемент выполнен с возможностью перемещения в осевом направлении и присоединен к части статора. Указанные вращаемые и невращаемые уплотнительные элементы имеют в целом кольцевую форму и проходят перпендикулярно к продольной оси ротора.
[0004] Изменяемый зазор между ротором и статором, который необходимо уплотнить, обычно достигается либо путем выполнения гибкого уплотнения, которое удерживается между компонентами, например с помощью пластинчатого уплотнения, либо путем создания сложного канала протечки. Однако такие уплотнительные устройства подвержены износу и увеличению протечки с течением времени. Соответственно, ни одно из этих уплотнений не удовлетворяет всем требованиям по рабочим характеристикам и сроку службы, обусловленным исходными зазорами между компонентами и контактом уплотнений со смежными поверхностями.
[0005] Существует необходимость в усовершенствованном уплотнительном устройстве.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0006] В соответствии с одним иллюстративным вариантом выполнения данного изобретения предложено аспираторное торцевое уплотнение, которое содержит первичное уплотнение, вторичное уплотнение и поджимающее устройство. Первичное уплотнение содержит первый уплотнительный компонент и второй уплотнительный компонент. Первый уплотнительный компонент выполнен с возможностью присоединения к ротору и вращения вместе с ротором. Вторичное уплотнение содержит гибкие элементы и выполнено с возможностью расположения между вторым уплотнительным компонентом и статорным корпусом. Ко второму уплотнительному компоненту присоединено поджимающее устройство с обеспечением поджатия второго уплотнительного компонента в осевом направлении от первого уплотнительного компонента в нерабочем состоянии.
[0007] В соответствии с другим иллюстративным вариантом выполнения данного изобретения предложена установка, содержащая иллюстративное аспираторное торцевое уплотнение. Указанное аспираторное торцевое уплотнение расположено между статорным корпусом и ротором.
[0008] В соответствии с еще одним иллюстративным вариантом выполнения данного изобретения предложен способ, включающий обеспечение вращения ротора, расположенного в статорном корпусе, и управление аспираторным торцевым уплотнением, расположенным между статорным корпусом и ротором. Управление аспираторным торцевым уплотнением включает поджатие второго уплотнительного компонента в осевом направлении к первому уплотнительному компоненту первичного уплотнения и обеспечение уплотнения между вторым уплотнительным компонентом и статорным корпусом при помощи вторичного уплотнения, содержащего гибкие элементы.
[0009] В соответствии с другим иллюстративным вариантом выполнения данного изобретения предложен способ, включающий удаление существующего вторичного уплотнения от второго уплотнительного компонента, выполненного с возможностью вхождения в контакт с первым уплотнительным компонентом первичного уплотнения, и замену существующего вторичного уплотнения щеточным уплотнением.
[0010] В соответствии с еще одним иллюстративным вариантом выполнения данного изобретения предложен способ, включающий удаление существующего вторичного уплотнения от соединительного устройства, выполненного с возможностью присоединения второго уплотнительного компонента к статорному корпусу, и замену существующего вторичного уплотнения щеточным уплотнением.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[0011] Эти и другие особенности, аспекты и преимущества данного изобретения станут более понятны при прочтении нижеследующего подробного описания со ссылкой на сопроводительные чертежи, на всем протяжении которых одинаковые номера позиций обозначают одинаковые элементы и на которых:
[0012] фиг. 1 изображает разрез установки, например газотурбинного двигателя, содержащей аспираторное торцевое уплотнение в соответствии с иллюстративным вариантом выполнения данного изобретения,
[0013] фиг. 2 изображает схематический вид вторичного уплотнения аспираторного торцевого уплотнения в соответствии с аспектами фиг. 1,
[0014] фиг. 3 изображает схематический вид вторичного уплотнения аспираторного торцевого уплотнения в соответствии с иллюстративным вариантом выполнения данного изобретения, и
[0015] фиг. 4 изображает разрез установки, содержащей аспираторное торцевое уплотнение с обычным вторичным уплотнением.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0016] Как описано в данном документе ниже со ссылкой на варианты выполнения, показанные на фиг. 1-3, предложено аспираторное торцевое уплотнение. Указанное иллюстративное аспираторное торцевое уплотнение содержит первичное уплотнение, содержащее первый уплотнительный компонент и второй уплотнительный компонент. Первый уплотнительный компонент выполнен с возможностью присоединения к ротору и вращения вместе с ротором. Вторичное уплотнение, содержащее гибкие элементы, расположено между вторым уплотнительным компонентом и статорным корпусом. Ко второму уплотнительному компоненту присоединено поджимающее устройство так, что второй уплотнительный компонент поджат в осевом направлении от первого уплотнительного компонента при нерабочем состоянии. При рабочем состоянии второй уплотнительный компонент поджат по направлению к первому уплотнительному компоненту. В конкретном варианте выполнения предложена установка, содержащая иллюстративное аспираторное торцевое уплотнение. В другом варианте выполнения предложен способ, относящийся к аспираторному торцевому уплотнению. В некоторых вариантах выполнения вторичное уплотнение представляет собой щеточное уплотнение. Использование щеточного уплотнения в качестве вторичного уплотнения способствует уменьшению сил трения, действующих на вторичное уплотнение, и, таким образом, улучшает динамические характеристики аспираторного торцевого уплотнения.
[0017] На фиг. 1 изображена установка 10, содержащая ротор 12, статорный корпус 14 и аспираторное уплотнение 16. Указанное уплотнение 16 выполнено с возможностью регулирования протечки сжатой текучей среды между областью относительно высокого давления и областью относительно низкого давления. В показанном варианте выполнения установка 10 представляет собой газотурбинный двигатель, а аспираторное уплотнение 16 представляет собой герметическое уплотнение на выходе компрессора, расположенное между ротором 12 и корпусом 14. Ротор 12 представляет собой центральный вал, а статорный корпус 14 представляет собой кожух диффузора. Несмотря на то что изображен газотурбинный двигатель, аспираторное торцевое уплотнение 16 может использоваться в любой области применения, в которой требуется или является желательным наличие саморегулирующегося уплотнения. В некоторых примерах, без ограничения этим, установка 10 может представлять собой центробежный компрессор, или паровую турбину, или газовую турбину, или подшипник, или отстойник, или электрогенератор и т.п. Кроме того, можно отметить, что аспекты данного изобретения не ограничены применением в ротационных установках, а могут использоваться в других установках, которые испытывают воздействие перепада давления текучей среды во время работы установки.
[0018] Указанное уплотнение 16 содержит первый уплотнительный компонент 18, второй уплотнительный компонент 20 и соединительное устройство 22, расположенное вокруг продольной оси установки 10. Первый уплотнительный компонент 18 и второй уплотнительный компонент 20 совместно образуют первичное уплотнение 21. Первый уплотнительный компонент 18 присоединен к ротору 12 и выполнен с возможностью вращения вместе с ротором 12. Первый уплотнительный компонент 18 имеет в целом форму диска и ограничивает первую обращенную в осевом направлении первичную уплотняющую поверхность 24. Соединительное устройство 22 выполнено с возможностью присоединения второго уплотнительного компонента 20 к статорному корпусу 14. Соединительное устройство 22 представляет собой не вращающийся, проходящий в осевом направлении компонент и ограничивает обращенную в радиальном направлении вторичную уплотняющую поверхность 26. Соединительное устройство 22 имеет конец 28 с радиально проходящим выступом 30, прикрепленный к корпусу 14 с помощью одного или более крепежных средств 32. Другой конец 34 соединительного устройства 22 имеет одно или более гнезд 36 под пружину. Гнездо 36 присоединено к устройству 22 с помощью одного или более крепежных средств 38. Гнездо 36 содержит установочную направляющую 40, проходящую в радиально внутреннем направлении и присоединенную к установочному пазу 42 второго уплотнительного компонента 20. Указанный компонент 20 присоединен к соединительному устройству 22 так, что компонент 20 может перемещаться в осевом направлении 23 и не перемещается в боковом направлении. Второй уплотнительный компонент 20 имеет в целом L-образную форму с проходящей в радиальном направлении частью 44 и проходящей в осевом направлении частью 46.
[0019] В некоторых вариантах выполнения соединительное устройство 22 может быть выполнено за одно целое со статорным корпусом 14. В других вариантах выполнения второй уплотнительный компонент 20 может быть непосредственно присоединен к корпусу 14.
[0020] Между гнездом 36 под пружину и выступом 50 второго уплотнительного компонента 20 расположены одно или более поджимающих устройств 48, например пружин. Конец поджимающего устройства 48 расположен в выемке 52 выступа 50. Поджимающее устройство 48 выполнено с возможностью поджатия второго уплотнительного компонента 20 в направлении от первого уплотнительного компонента 18.
[0021] Второй уплотнительный компонент 20 имеет радиально проходящую часть 54, которая ограничивает обращенную в осевом направлении вторую первичную уплотняющую поверхность 56. Указанная поверхность 56 расположена в непосредственной близости от первого уплотнительного компонента 18 и обращена к первой первичной уплотняющей поверхности 24. Первая и вторая первичные уплотняющие поверхности 24, 56 выполнены с обеспечением образования обходного или извилистого канала для прохождения текучей среды. Проходящая в радиальном направлении часть 54 второго уплотнительного компонента 20 имеет проточные проходы (не показаны) для гидростатического уравновешивания указанного компонента 20.
[0022] Вторичное уплотнение 58 расположено в канавке 60, выполненной в выступе 50 второго уплотнительного компонента 20. В изображенном варианте выполнения вторичное уплотнение 58 представляет собой щеточное уплотнение. Уплотнение 58 выполнено с возможностью создания уплотнения с обращенной в радиальном направлении вторичной уплотняющей поверхностью 26 соединительного устройства 22. Назначение вторичного уплотнения 58 заключается в предотвращении протечки текучей среды через канал между вторым уплотнительным компонентом 20 и соединительным устройством 22. Здесь следует отметить, что вторичное уплотнение 58 подвергается воздействию того же перепада давления, что и первичное уплотнение 21, с одновременным обеспечением возможности перемещения второго уплотнительного компонента 20 в осевом направлении 23. Следует еще раз отметить, что конкретная конфигурация уплотнительных компонентов и установочная конструкция, описанные в данном документе, не являются ограничивающими и могут быть изменены в соответствии с конкретным применением без оказания влияния на функциональные аспекты аспираторного торцевого уплотнения 16.
[0023] При работе аспираторного торцевого уплотнения 16 второй уплотнительный компонент 20 образует уплотнение совместно с первым уплотнительным компонентом 18. Указанные одно или более поджимающих устройств 48 поджимают второй компонент 20 в направлении от первого компонента 18 для предотвращения контакта между первым и вторым компонентами 18, 20 при прекращении работы установки 10. По мере возрастания рабочей скорости установки происходит повышение давления текучей среды в областях проточного канала. Аспираторное торцевое уплотнение 16 подвергается воздействию возрастающего давления, в результате чего второй компонент 20 перемещается по направлению к первому компоненту 18. При этом вторая первичная уплотняющая поверхность 56 не контактирует с первой первичной уплотняющей поверхностью 24. Как изложено выше, вторичное уплотнение 58 выполнено с возможностью создания уплотнения с обращенной в радиальном направлении вторичной уплотняющей поверхностью 26 соединительного устройства 22. При выбранном режиме работы обеспечивается гидростатическое уравновешивание давления в торцевом уплотнении 16.
[0024] Ниже со ссылкой на фиг. 2 рассмотрено более подробно вторичное уплотнение 58, выполненное в соответствии с аспектами фиг. 1. Вторичное уплотнение 58 содержит гибкие элементы 62, присоединенные к удерживающему устройству 64. Следует отметить, что в данном документе выражение «гибкий элемент» может относиться к элементу, который способен к изгибанию без его поломки. В некоторых вариантах выполнения гибкие элементы 62 представляют собой щетинки, которые могут содержать металлические или неметаллические щетинки или их комбинацию. В конкретных вариантах выполнения гибкие элементы 62 могут быть выполнены из металлического сплава, например кобальтового сплава, такого как HAYNES25. Гибкая щетинка представляет собой заделанный одним концом прут, радиальная жесткость которого определяется его длиной, моментом инерции в плоскости поперечного сечения и модулем упругости материала. В соответствии с аспектами данного изобретения каждый гибкий элемент 62 имеет диаметр в диапазоне от 2 до 8 мил (от 50 до 200 мм). Следует отметить, что аспекты данного изобретения также могут быть применимы к щетинкам других типов. Гибкие элементы 62 наклонены под углом в диапазоне от 75° до 15° для обеспечения регулирования процесса сброса давления и трения. Как изложено выше, вторичное уплотнение 58 расположено в канавке 60 второго уплотнительного компонента 20. Вторичное уплотнение 58 выполнено с возможностью создания уплотнения с обращенной в радиальном направлении вторичной уплотняющей поверхностью 26 соединительного устройства 22. Конкретные размеры и наклон гибких элементов 62 улучшают согласованность указанного уплотнения с соединительным устройством 22.
[0025] Каждый гибкий элемент 62 имеет первый конец 66, присоединенный к удерживающему устройству 64, и второй конец 68, расположенный проксимально к соединительному устройству 22. В конкретных иллюстративных вариантах выполнения второй конец 68 гибкого элемента 62 находится в контакте с соединительным устройством 22. Гибкий элемент 62 обеспечивает возможность относительно большого радиального перемещения незакрепленного конца 68, что, в свою очередь, создает возможность уплотнения зазора между соединительным устройством 22 и вторым уплотнительным компонентом 20. В изображенном варианте выполнения удерживающее устройство 64 содержит переднюю пластину 70, заднюю пластину 72 и матрицу 74, расположенную между передней пластиной 70 и задней пластиной 72. В конкретных иллюстративных вариантах выполнения передняя и задняя пластины 70, 72 выполнены из металлического материала, или композитного материала, или их комбинации. Гибкие элементы 62 зажаты между передней и задней пластинами 70, 72. Первый конец 66 каждого гибкого элемента 62 присоединен к матрице 74, а второй конец 68 проходит от пластин 70, 72 в направлении соединительного устройства 22. В конкретных вариантах выполнения матрица 74 может содержать сварное соединение, содержащее смесь материалов гибкого элемента и боковой пластины. В некоторых вариантах выполнения матрица 74 может содержать эпоксидную смолу, полиимид и т.п. Матрица 74 используется для прикрепления гибких элементов 62 к передней и задней пластинам 70, 72.
[0026] Предельный перепад давления, выдерживаемый вторичным уплотнением, 58 тесно связан с высотой «h» перекрывающей части. Здесь следует отметить, что под высотой «h» перекрывающей части понимается расстояние между обращенной в радиальном направлении вторичной уплотняющей поверхностью 26 соединительного устройства 22 и нижним краем 76 задней пластины, поддерживающей гибкие элементы 62. В изображенном варианте выполнения создание вторичного уплотнения 58 между невращаемым вторым уплотнительным компонентом 20 и соединительным устройством 22 способствует уменьшению высоты «h». В изображенном варианте выполнения высота «h» для вторичного уплотнения 58 имеет значение в диапазоне от 5 до 50 мил (от 0,12 до 1,27 мм). В конкретном варианте выполнения высота «h» может составлять от 10 до 20 мил (от 0,25 до 0,50 мм). В обычных установках для создания уплотнения между статором и ротором, как правило, используется щеточное уплотнение, что, соответственно, требует наличия относительно больших высот перекрывающей части для предотвращения возможного повреждения компонентов вследствие трения между ротором и статором. Предельное давление, выдерживаемое иллюстративным вторичным уплотнением 58, соразмерно увеличивается по сравнению с обычными установками, поскольку снижается опасность возникновения трения задней пластины 72 о поверхность 26 соединительного устройства и, соответственно, повреждения соединительного устройства 22.
[0027] Следует отметить, что гибкие элементы 62 установлены вплотную друг к другу для поддержания большего перепада давления между областью низкого давления и областью высокого давления. В соответствии с рассмотренным в данном документе иллюстративным вариантом выполнения между соединительным устройством 22 и подвижным в осевом направлении вторым уплотнительным компонентом 20 используется вторичное уплотнение 58 с относительно малой высотой перекрывающей части для уменьшения сил трения, действующих на уплотнение 58, по сравнению с обычным вторичным уплотнением аспираторного торцевого уплотнения. Следует отметить, что, несмотря на то что в данном документе при описании вторичного уплотнения 58 рассматривается щеточное уплотнение, в некоторых вариантах выполнения вторичное уплотнение 58 также может представлять собой уплотнение, содержащее другие гибкие элементы. Следует отметить, что гибкий элемент 62 обеспечивает компенсацию несовпадения теплового расширения между вторым уплотнительным компонентом 20 и соединительным устройством 22. Гибкий элемент 62 также имеет низкий гистерезис для сведения к минимуму фрикционного сопротивления между компонентом 20 и устройством 22. К другим примерам «гибких элементов» относятся, но без ограничения этим, наклонные прокладки (например, используемые в пластинчатом уплотнении), пальчиковое уплотнение, сотовое уплотнение с прокладкой из фольги, уплотнения с поджимающей «пятой», которые выполнены с возможностью перемещения в радиальном направлении путем поддерживания их мягкими пружинами, и т.п.
[0028] На фиг. 3 показано вторичное уплотнение 58 в соответствии с иллюстративным вариантом выполнения данного изобретения. Конструкция вторичного уплотнения 58 аналогична конструкции варианта выполнения, показанного на фиг. 2, за исключением того, что уплотнение 58 расположено в канавке 61 соединительного устройства 22. В изображенном варианте выполнения уплотнение 58 выполнено с возможностью создания уплотнения с уплотняющей поверхностью 63 второго уплотнительного компонента 20.
[0029] Первый конец 66 каждого гибкого элемента 62 присоединен к удерживающему устройству 64, а второй конец 68 расположен проксимально ко второму уплотнительному компоненту 20. В конкретных иллюстративных вариантах выполнения второй конец 68 гибкого элемента 62 находится в контакте со вторым уплотнительным компонентом 20. Здесь следует отметить, что под высотой «h» перекрывающей части понимается расстояние между уплотняющей поверхностью 63 второго уплотнительного компонента 20 и нижним краем 76 задней пластины 72, поддерживающей гибкие элементы 62. В соответствии с рассмотренным в данном документе иллюстративным вариантом выполнения между соединительным устройством 22 и подвижным в осевом направлении вторым уплотнительным компонентом 20 используется вторичное уплотнение 58 с относительно малой высотой перекрывающей части для уменьшения сил трения, действующих на вторичное уплотнение 58, по сравнению с обычным вторичным уплотнением аспираторного торцевого уплотнения. В некоторых вариантах выполнения вторичное уплотнение 58 расположено в канавке статорного корпуса и обеспечивает уплотнение с уплотняющей поверхностью 63 второго уплотнительного компонента 20.
[0030] На фиг. 4 показана установка 78, содержащая ротор 80, статорный корпус 82 и аспираторное уплотнение 84. Указанное уплотнение 84 содержит первый уплотнительный компонент 86, второй уплотнительный компонент 88 и соединительное устройство 89, расположенное вокруг продольной оси установки 78. Первый уплотнительный компонент 86 и второй уплотнительный компонент 88 совместно образуют первичное уплотнение 90.
Первый уплотнительный компонент 86 присоединен к ротору 80 и выполнен с возможностью вращения вместе с ротором 80. Соединительное устройство 89 выполнено с возможностью присоединения второго уплотнительного компонента 88 к корпусу 82.
[0031] В изображенном варианте выполнения обычное вторичное уплотнение 92 расположено в канавке 94 выступа 96 второго уплотнительного компонента 88. Указанное уплотнение 92 выполнено с возможностью создания уплотнения с обращенной в радиальном направлении вторичной уплотняющей поверхностью 98 соединительного устройства 89. Обычное вторичное уплотнение 92 может представлять собой любое обычное уплотнение, например поршневое кольцо. В конкретных существующих установках 78 уплотнение 92 может быть присоединено к соединительному устройству 89 или может быть непосредственно присоединено к корпусу 82 и выполнено с возможностью создания уплотнения с уплотняющей поверхностью второго уплотнительного компонента 88. В соответствии с аспектами данного изобретения модификацию установки 78 осуществляют путем удаления существующего обычного вторичного уплотнения 92 и его замены иллюстративным щеточным уплотнением, аналогичным вторичному уплотнению 58, рассмотренному со ссылкой на фиг. 1, 2 и 3. Канавки, например канавка 94, могут быть выполнены с размерами, обеспечивающими размещение вторичного уплотнения 58.
[0032] Использование такого иллюстративного щеточного уплотнения в качестве вторичного уплотнения способствует снижению сил трения, действующих на вторичное уплотнение, по сравнению с существующим вторичным уплотнением 92. В результате значительно улучшаются динамические характеристики и повышается срок службы вторичного уплотнения.
[0033] Несмотря на то что в данном документе отражены лишь некоторые особенности данного изобретения, специалистам будут очевидны различные модификации и изменения. Соответственно, следует понимать, что прилагаемая формула изобретения охватывает все такие модификации и изменения как находящиеся в рамках сущности данного изобретения.