ВРАЩАЮЩЕЕСЯ ЩЕТОЧНОЕ УПЛОТНЕНИЕ
ROTATING BRUSH SEAL

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
[0001] Варианты выполнения данного изобретения относятся по существу к щеточным уплотнениям и, более конкретно, к вращающемуся щеточному уплотнению, прикрепленному к вращающемуся компоненту, причем щетинки щеточного уплотнения наклонены в осевом направлении больше, чем в окружном направлении.
ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0002] Известные щеточные уплотнения обычно установлены или прикреплены к неподвижному компоненту турбомашины, при этом во время работы турбомашины только гибкие концы щетинок щеточного уплотнения взаимодействуют с вращающимся компонентом для образования динамического уплотнения. Кроме того, известные щеточные уплотнения, как правило, содержат щетинки, наклоненные в окружном направлении относительно вращающегося компонента.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0003] В одном варианте выполнения изобретения предлагается щеточное уплотнение, предназначенное для использования между вращающимся и неподвижным компонентами в турбомашине и содержащее щетинки, имеющие закрепленный конец и свободный конец, причем закрепленный конец прикреплен к вращающемуся компоненту, а щетинки наклонены в осевом направлении под осевым углом относительно вращающегося компонента.
[0004] В другом варианте выполнения изобретения предлагается турбомашина, содержащая вращающийся компонент, неподвижный компонент и щеточное уплотнение, предназначенное для использования между вращающимся компонентом и неподвижным компонентом и содержащее щетинки, имеющие закрепленный конец и свободный конец, причем закрепленный конец прикреплен к вращающемуся компоненту, а щетинки наклонены в осевом направлении под осевым углом относительно вращающегося компонента.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[0005] Эти и другие свойства изобретения будут более понятны из последующего подробного описания его различных аспектов в сочетании с сопроводительными чертежами, изображающими различные варианты выполнения данного изобретения, на которых
[0006] фиг.1 показывает частичный продольный разрез турбомашины, содержащей известное щеточное уплотнение;
[0007] фиг.2 и 3 показывают разрезы известного щеточного уплотнения;
[0008] фиг.4-8 показывают разрезы щеточного уплотнения в соответствии с вариантами выполнения данного изобретения;
[0009] фиг.9 показывает разрез в осевом направлении части щеточного уплотнения в соответствии с вариантами выполнения данного изобретения;
[0010] фиг.10-12 представляют собой покомпонентные изображения зазоров между дугообразными сегментами щеточного уплотнения в соответствии с вариантами выполнения данного изобретения.
[0011] Отметим, что чертежи необязательно выполнены в масштабе. Данные чертежи предназначены для изображения только типичных аспектов изобретения и поэтому не должны рассматриваться как ограничивающие объем его правовой охраны. На чертежах одинаковые номера позиций обозначают одинаковые компоненты.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
axial
radial
[0012] Обратимся теперь к чертежам, на которых фиг.1 показывает разрез обычного щеточного уплотнения 15, известного из предшествующего уровня техники и используемого в турбомашине 1. Два дополнительных вида щеточного уплотнения 15 показаны на фиг.2 и 3. Как показано на фиг.2 и 3, щеточное уплотнение 15 содержит щетинки, используемые между вращающимся компонентом 10 (называемым также ротором) и неподвижным компонентом 20 турбомашины 1 (фиг.1), например, газовой турбины, паровой турбины и т.д. Следует понимать, что щеточное уплотнение 15 при установке в турбомашине 1 образует кольцо, при этом щеточное уплотнение 15, как правило, содержит последовательность дугообразных сегментов, образующих при установке полное кольцо. Как известно из данной области техники, щеточное уплотнение 15 имеет закрепленный конец 14, установленный или прикрепленный к неподвижному компоненту 20, и гибкий свободный конец 16, проходящий в направлении вращающегося компонента 10 для формирования динамического уплотнения. Кроме того, может быть выполнена опорная пластина 22 (установленная на неподвижном компоненте 10 (фиг.2)), которая служит для поддержания гибкого свободного конца 16 при его прижатии к пластине 22 под действием нагрузки от давления во время работы турбомашины 1. Как показано стрелкой R на фиг.2, во время работы компонент 10 вращается в направлении стрелки R. Как показано на фиг.2 и 3, щетинки уплотнения 15 наклонены в окружном направлении относительно осевой оси A и радиальной оси A вращающегося компонента 10. Наклонные щетинки легко отклоняются и будут перемещаться в радиальном направлении при отклонении или вибрации вращающегося компонента 10.
axial
radial
[0013] Как показано на фиг.2, щетинки уплотнения 15 наклонены под углом «а» в окружном направлении относительно осевой и радиальной осей (A, A, показанных на фиг.2 и 3) вращающегося компонента 10. Поскольку указанные щетинки наклонены в том же окружном направлении, что и направление R вращения компонента 10, то концы щетинок могут двигаться по поверхности компонента 10, не создавая выгибания или заклинивания. Окружной угол «а» расположения щетинок, называемый также «углом наклона» или «установочным углом», ориентирован так, что свободный конец 16 проходит в том же направлении, что и направление R вращения компонента 10.
rotating
[0014] Обратимся к фиг.4, где показан разрез щеточного уплотнения 100 в соответствии с вариантами выполнения данного изобретения. Щеточное уплотнение 100 используется для создания динамического уплотнения между вращающимся компонентом 102 и неподвижным компонентом 104 в турбомашине 1 (фиг.1). Уплотнение 100 содержит щетинки 110 и при установке образует кольцо. Например, уплотнение 100 может содержать последовательность дугообразных сегментов, образующих при монтаже полное кольцо. Кроме того, щетинки 110 имеют закрепленный конец 112 и свободный конец 114. Однако уплотнение 100 отличается от известных в данной области техники уплотнений в нескольких аспектах. Например, как более подробно изложено в данном документе, закрепленный конец 112 установлен, или прикреплен, к вращающемуся компоненту 102, а не к неподвижному компоненту 104. Кроме того, щетинки 110 наклонены по существу в осевом направлении, а не преимущественно в окружном направлении (как в известных установках), относительно оси вращения A компонента 102.
[0015] Как показано на фиг.4, уплотнение 100 также содержит конусообразную удерживающую пластину 116, которая по меньшей мере частично поддерживает щетинки 110, т.е. принимает на себя их частичную нагрузку. Пластина 116 проходит по меньшей мере частично вдоль радиальной длины щетинок 110 так, что при работе турбомашины пластина 116 по меньшей мере частично принимает на себя центробежную нагрузку, действующую на щетинки 110.
[0016] Как изложено выше, варианты выполнения изобретения содержат щеточное уплотнение 100, имеющее закрепленный конец 112, установленный или прикрепленный к вращающемуся компоненту 102. На фиг.4-8 показаны различные примеры установки или прикрепления закрепленного конца 112 щетинок 110 к вращающемуся компоненту 102. Как показано на фиг.4-8, в компоненте 102 может быть выполнена окружная канавка 103, которая имеет первую, переднюю сторону 103a и вторую, заднюю сторону 103b (фиг.4). Пластина 116 и закрепленный конец 112 щетинок 110 могут быть установлены в канавку 103 и соответственным образом прикреплены к вращающемуся компоненту 102. В первом примере, показанном на фиг.4, пластина 116 может быть прикреплена ко второй, задней стороне 103b с помощью зачеканивания и/или сварных швов (например, зачеканенным швом 120 и/или сварными швами вдоль поверхностей пластины 116, которые контактируют с канавкой 103), а закрепленный конец 112 может быть прикреплен к первой, передней стороне 103а и к пластине 116 с помощью боковой пластины 118. Следует понимать, что вместе с рассматриваемыми в данном документе зачеканенными и сварными швами или вместо них могут использоваться паяные соединения с твердым припоем или паяные соединения с мягким припоем.
[0017] Во втором примере, показанном на фиг.5, щетинки 110 изогнуты так, что закрепленный конец 112 смещен в осевом направлении относительно свободного конца 114. Соответственно, пластина 116 изогнута аналогичным образом так, что она проходит вдоль по меньшей мере части длины щетинок 110. И снова, как и на фиг.4, пластина 116 и щетинки 110 могут быть прикреплены к канавке 103 с помощью зачеканенных и/или сварных швов. Другой пример возможного способа прикрепления щетинок 110 к пластине 116 показан на фиг.5 в виде шва 122, полученного электронно-лучевой сваркой.
[0018] В третьем примере, показанном на фиг.6, щетинки 110 изогнуты так же, как и на фиг.5, однако, в этом примере для прикрепления пластины 116 к вращающемуся компоненту 102 используется винт 124, например винт без головки со шлицем под отвертку. Винт 124 может быть завинчен через пластину 116 в компонент 102 в дополнение к сочетанию зачеканивания/трения, или вместо него, которое используется на фиг.4 и 5. Также следует понимать, что возможно использование других крепежных средств, отличных от винта, например болт, штифт и т.д.
[0019] В четвертом примере, показанном на фиг.7, для прикрепления пластины 116 и щетинок 110 к компоненту 102 может использоваться замковое соединение. В этом примере канавка 103 содержит фиксирующий элемент 126, удерживающий на месте пластину 116 (которая в этом примере прикреплена к щетинкам 110 с помощью сварного шва 122 и боковой пластины 118) при установке щетинок 110 в окружном направлении в канавку 103. Для облегчения помещения щетинок 110 в канавку 103 может использоваться приемный замковый паз 128 (который на фиг.7 показан пунктиром).
[0020] В любом из рассматриваемых в этом документе вариантов выполнения пластина 116 может быть выполнена за одно целое с вращающимся компонентом 102 или может представлять собой отдельный элемент, который присоединяют сваркой или иным способом к компоненту 102. Если пластина 116 выполнена за одно целое с компонентом 102, как изложено в данном документе, то для введения щетинок 110 в компонент 102 может использоваться приемная канавка/паз (аналогичный пазу 128, показанному на фиг.7). В этом варианте выполнения может использоваться относительно небольшой приемный паз 128, и этот вариант выполнения в результате может обеспечить сравнительно более податливое щеточное уплотнение 100, так как щетинки 110 могут быть изогнуты по мере введения в указанную канавку/паз. Этот изгиб щетинок 110 позволит уменьшить протечки через зазор между сегментами уплотнения 100, а также свести к минимуму проблемы, связанные с удержанием щетинок 110 в зоне приемного паза. Этот вариант выполнения также обеспечит уменьшение общей вращающейся массы уплотнения 100, так как отсутствует необходимость в выполнении дополнительной опорной пластины.
[0021] В другом варианте выполнения, изображенном на фиг.8, представлена модификация конструктивных решений, показанных на фиг.6 и 7. В этом варианте выполнения, показанном на фиг.8, фиксирующий элемент 126 (аналогичный элементу, показанному на фиг.7) может использоваться вместе со штифтом или винтом 124 без головки со шлицем под отвертку (аналогичным винту, показанному на фиг.6), причем один или более штифтов 124 могут служить в качестве механизма, предотвращающего вращение компонентов щеточного уплотнения 100. Возможны различные конфигурации штифтов 124 (которые подходят для любых вариантов выполнения, показанных в данном документе, в которых используются штифты 124). Например, (1) может использоваться один предотвращающий вращение штифт 124 на один сегмент, причем штифты 124 расположены либо в средней части сегмента, либо внутри конца сегмента для ограничения перемещения сегмента, которое может привести к нарушению равновесного состояния, (2) может использоваться один предотвращающий вращение штифт 124, расположенный на каждой стороне приемного паза 128 (фиг.7), или (3) может использоваться один предотвращающий вращение штифт 124, расположенный между концами двух смежных сегментов и центрированный в середине приемного паза 128 (фиг.7).
[0022] Независимо от способа прикрепления щеточного уплотнения 100 к вращающемуся компоненту 102, указанный осевой угол наклона щетинок 110 уплотнения 100 обеспечивает возможность эффективного уплотнения щеточным уплотнением 100. Поскольку уплотнение 100 вращается вместе с вращающимся компонентом 102, то при расположении щетинок 110 с наклоном по существу в окружном направлении, центробежная нагрузка стремилась бы распрямить щетинки и создать изгибающее усилие у основания щетинок. Кроме того, если щетинкам 110 дать возможность распрямиться, то щетинки не будут легко перемещаться внутрь, и могут изогнуться или быть повреждены при перемещении уплотнения 100 в направлении неподвижного компонента 104 при отклонении или вибрации ротора. Следовательно, большой угол наклона не является желательным для вращающегося щеточного уплотнения 100 в соответствии с вариантами выполнения данного изобретения.
[0023] Таким образом, как изложено в данном документе, щетинки 110 не наклонены по существу в окружном направлении, как в известных щеточных уплотнениях, а наклонены в основном в осевом направлении и поддерживаются конусообразной удерживающей пластиной 116. Это дополнительно проиллюстрировано на фиг.9, где показан частичный поперечный разрез щеточного уплотнения 100, иллюстрирующий щетинки 110, которые не наклонены по существу в окружном направлении. Когда данная турбомашина работает, то щетинки 110 прижимаются к удерживающей пластине 116 под действием центробежной силы. Расположение щетинок 110 с наклоном в осевом направлении, в соответствии с вариантами выполнения данного изобретения, заставляет щетинки изгибаться вперед и в сторону от пластины 116, если неподвижный компонент 104 толкает уплотнение 100.
[0024] Кроме того, как показано на фиг.9, уплотнение 100 может содержать последовательность дугообразных сегментов (на фиг.9 частично показаны три сегмента S1, S2, S3, однако, следует понимать, что на практике уплотнение 100 может содержать множество дугообразных сегментов, которые будут образовывать полное кольцо). Как показано на фиг.9, зазоры 132, которые обычно имеются между сегментами, называются концевыми зазорами 132. Как показано на фиг.9, в один или более зазоров 132 может быть вставлена пружина 134. Пружины 134 могут служить для обеспечения возможности теплового расширения, обусловленного более быстрым нагреванием уплотнения 100 по сравнению с вращающимся компонентом 102 при запуске, а также для учета различных коэффициентов теплового расширения между вращающимся компонентом 102 и уплотнением 100. Пружины 134 также служат для поддержания давления на сегментах для демпфирования аэромеханической вибрации. Пружины 134 могут представлять собой тонкие и жесткие пружины, например волнистые пружины, любой требуемой формы. На фиг.10-12 на покомпонентных видах зазоров 132 показаны три примера различных форм и конфигураций пружин 134. Фиг.9 дополнительно показывает предотвращающий вращение винт 124 без головки со шлицем под отвертку (рассмотренный в связи с фиг.8), расположенный в средней части сегмента S2.
[0025] В одном варианте выполнения нагрузка от давления на фиг.4-8 действует слева направо, при этом щетинки 110 обращены к стороне более высокого давления щеточного уплотнения, а пластина 116 обращена к нижней по потоку стороне щеточного уплотнения с более низким давлением. В подобной конструкции сила давления, а также центробежная сила прижимают щетинки 110 к пластине 116 и уравновешивают нагрузку от давления. В другом варианте выполнения изобретения нагрузка от давления может действовать справа налево (или, наоборот, в зависимости от ориентации турбомашины), при этом пластина 116 обращена к стороне более высокого давления, а щетинки 110 обращены к стороне более низкого давления.
[0026] Осевой угол щетинок 110 может быть задан так, чтобы получить требуемую гибкость без необходимости в дополнительном осевом пространстве. В одном варианте выполнения щетинки 110 могут быть наклонены в осевом направлении относительно вращающегося компонента 102 под осевым углом приблизительно от 15° до 70°, например, приблизительно от 30° до 45°.
[0027] Как было изложено в данном документе, угол наклона щетинок 110 в окружном направлении не обеспечивает гибкость уплотнения 100. Однако небольшой угол наклона в окружном направлении, который существенно меньше осевого угла, например угол в диапазоне примерно от 0° до 15°, может быть полезным для уплотнения 100, но не для обеспечения гибкости, а для работоспособности. Поэтому может использоваться небольшой угол наклона в окружном направлении, благодаря которому щетинки 110 будут поджиматься, открывая зазор между уплотнением 100 и неподвижным компонентом 104 при низкой скорости или при отсутствии скорости, чтобы избежать трения во время переходного режима работы. По мере доведения скорости до рабочего значения щетинки 110 будут вытягиваться, уменьшая при этом угол наклона и закрывая тем самым зазор между концами щетинок 110 и неподвижным компонентом 104.
[0028] Дополнительное преимущество предложенного уплотнения 100 заключается в том, что создаваемое уплотнением 100 тепло не будет вызывать прогиб ротора, как это происходит при обычных щеточных уплотнениях, так как концы щетинок будут скользить по неподвижному компоненту 104. Тепло, возникающее в результате трения концов щетинок 100 о неподвижный компонент 104, будет частично проникать в компонент 104 и частично отводиться благодаря протечке через щетинки 110. Соответственно, при этом во вращающийся компонент 102 тепло будет или проходить в малом количестве, или вообще не будет проходить. В противоположность этому в обычных щеточных уплотнениях концы щетинок трутся о поверхность вращающегося компонента, непосредственно нагревая его. Это нагревание вращающегося компонента может вызвать его прогиб и дополнительное увеличение нежелательного неравномерного нагрева.
[0029] Как показано на фиг.4-8, вместе со щеточным уплотнением 100 также могут использоваться дополнительные уплотнения. Например, могут использоваться одно или более зубчатых уплотнений, таких как J-образные уплотнения 130. J-образные уплотнения 130 могут иметь закрепленный конец, прикрепленный к вращающемуся компоненту 102, и свободный конец, проходящий радиально в наружном направлении от вращающегося компонента 102 в направлении неподвижного компонента 104. J-образные уплотнения 130 могут быть расположены в осевом направлении выше по потоку и/или ниже по потоку от щеточного уплотнения 100.
[0030] Терминология, используемая в данном документе, применяется только для описания конкретных вариантов выполнения и не предназначена для ограничения данного описания. Предполагается, что используемые в данном документе формы единственного числа также охватывают формы множественного числа, если в контексте ясно не указано иное. Следует также понимать, что используемые в данном описании термины «содержит» и/или «содержащий» определяют наличие указанных свойств, целых чисел, этапов, операций, элементов и/или компонентов, но не исключают наличия или добавления одного или более других свойств, целых чисел, этапов, операций, элементов, компонентов и/или составленных из них групп.
[0031] В изложенном описании используются примеры, характеризующие данное изобретение, включая предпочтительные варианты выполнения, а также обеспечивающие возможность любому специалисту осуществить на практике данное изобретение, включая выполнение и использование любых устройств или систем, а также выполнение любых относящихся к этому или включенных способов. Объем правовой охраны изобретения определен формулой изобретения, при этом он может включать другие примеры, которые встретятся специалистам. Подразумевается, что подобные другие примеры подпадают под объем правовой охраны формулы изобретения, если они содержат конструктивные элементы, которые не отличаются от элементов, описанных в формуле изобретения, или если они содержат эквивалентные конструктивные элементы с несущественными отличиями от элементов, описанных в формуле изобретения.