КОНСТРУКЦИЯ УПЛОТНЕНИЯ ДЛЯ УПЛОТНЕНИЯ ПРОСТРАНСТВА МЕЖДУ ВРАЩАЮЩИМСЯ ЭЛЕМЕНТОМ И НЕПОДВИЖНЫМ ЭЛЕМЕНТОМ (ВАРИАНТЫ)
DESIGN OF SEAL FOR SEALING SPACE BETWEEN ROTARY AND FIXED ELEMENT /VERSIONS/

Настоящее изобретение относится к выдвижным деформируемым пластинчатым уплотнениям. В частности, настоящее изобретение относится к выдвижным деформируемым пластинчатым уплотнениям для турбомашин.
Деформируемые пластинчатые уплотнения применяются для обеспечения динамического уплотнения между ротором, например, вращающимся валом, и статором, например неподвижной оболочкой, кожухом или корпусом. Деформируемые пластинчатые уплотнения используются в турбомашинах для обеспечения хорошего уплотнения, бесконтактной работы и в расчете на высокие давления. Примеры деформируемых пластинчатых уплотнений приведены, например, в патентах США №№6343792 и 6976680.
В конструкции листового уплотнения, описанной выше, если листы плотно упакованы на вершинах, по законам геометрии рядом с корнем уплотнения остаются зазоры. Эти зазоры оставляют путь для утечек со стороны высокого давления на сторону низкого давления в уплотнении.
Известно также радиальное расположение сегментов уплотнения в расположенной по окружности матрице между ротором и окружающим кожухом турбины для минимизации утечек. Для того, чтобы позволить сегментам сдвигаться радиально наружу при контакте с ротором, используют лабиринтные уплотняющие кольца и пружины, поджимающие сегменты радиально внутрь от поверхности кожуха для создания радиального задора между уплотнением и ротором. Однако со временем характеристики лабиринтных уплотнений ухудшаются в результате переходных явлений, при которых неподвижные и вращающиеся детали сталкиваются, истираются выступы лабиринтного уплотнения и зазор уплотнения становится постоянным. Известен способ замедления разрушения от истирания путем применения пакетов лабиринтного уплотнения "положительного давления" с переменным зазором, в которых используются пружины для удержания сегментов уплотняющего кольца в открытом состоянии в отсутствии потока или при малом потоке, когда наиболее вероятно возникновение такого истирания. Силы окружающего давления преодолевают силы пружин при более высоких нагрузках для перевода колец в закрытое рабочее положение. Такие пакеты положительного давления с переменным зазором раскрыты, например, в патентах США №№ 6715766 и 6695316.
Известны также регулируемые уплотнения, в которых применяются последовательность гидравлических или пневматических исполнительных механизмов высокого давления, которые перемещают сегменты уплотнения от ротора в случае неотвратимого трения уплотнения и ротора. Имеется внешняя система управления и подачи воздуха под высоким давлением, которая подает рабочую среду на исполнительные механизмы высокого давления. Исполнительные механизмы расположены между статором, например, уплотняющим кожухом, и сегментами уплотнения, например, сегментами уплотнительного кольца, так, что подача среды под давлением на исполнительные механизмы приводит к открыванию или отводу сегментов уплотнения. При отсутствии давления на исполнительных механизмах окружающее давление в машине сжимает сегменты уплотнения. Примеры таких регулируемых уплотнений приведены, например, в патентах США №№ 6502823 и 6786487.
В периоды пуска и остановки турбины на уплотнении нет или почти нет перепада давления, и деформируемые пластинчатые уплотнения должны полагаться на гидродинамическую подъемную силу, чтобы работать в бесконтактном режиме. Контакт между деформируемым уплотнением и ротором приводит к износу как уплотнения, так и ротора, генерированию теплоты и нестабильности динамики ротора.
В одном варианте настоящего изобретения предлагается конструкция уплотнения для уплотнения пространства между вращающимся элементом и неподвижным элементом, содержащая корпус деформируемого пластинчатого уплотнения, установленный с возможностью регулировки на статоре, при этом корпус поддерживает деформируемое пластинчатое уплотнение; и систему пружин, расположенную между корпусом деформируемого пластинчатого уплотнения и стационарным элементом для поджимания корпуса деформируемого пластинчатого уплотнения в направлении от поверхности вращающегося элемента.
В другом варианте настоящего изобретения предлагается конструкция уплотнения для уплотнения пространства между вращающимся и неподвижным элементом, содержащая корпус деформируемого пластинчатого уплотнения, установленный с возможностью регулировки на неподвижном элементе, при этом корпус поддерживает деформируемое пластинчатое уплотнение, и исполнительный механизм, расположенный между корпусом деформируемого пластинчатого уплотнения и неподвижным элементом для перемещения корпуса деформируемого пластинчатого элемента в направлении от поверхности вращающегося элемента при неизбежном столкновении уплотнения с ротором.
Далее настоящее изобретение будет описано более подробно со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:
Фиг.1 - выдвижное деформируемое пластинчатое уплотнение согласно варианту настоящего изобретения в закрытом положении;
Фиг.2 - выдвижное деформируемое пластинчатое уплотнение с фиг.1 в открытом положении;
Фиг.3 - выдвижное деформируемое пластинчатое уплотнение согласно другому варианту настоящего изобретения;
Фиг.4 - выдвижное деформируемое пластинчатое уплотнение согласно другому варианту настоящего изобретения;
Фиг.5 - выдвижное деформируемое пластинчатое уплотнение согласно другому варианту настоящего изобретения;
Фиг.6 - выдвижное деформируемое пластинчатое уплотнение согласно другому варианту настоящего изобретения;
Фиг.7 - выдвижное деформируемое пластинчатое уплотнение согласно другому варианту настоящего изобретения;
Фиг.8 - выдвижное деформируемое пластинчатое уплотнение согласно другому варианту настоящего изобретения;
Фиг.9 - выдвижное деформируемое пластинчатое уплотнение согласно другому варианту настоящего изобретения;
Фиг.10 - выдвижное деформируемое пластинчатое уплотнение согласно другому варианту настоящего изобретения; и
Фиг.11 - выдвижное деформируемое пластинчатое уплотнение согласно другому варианту настоящего изобретения.
Как показано на фиг.1 и 2, турбомашина может содержать ротор 2 и статор 4, который поддерживает ротор 2 с возможностью вращения. Корпус 6 деформируемого пластинчатого уплотнения установлен на статоре 4 в регулируемом положении посредством системы 10 пружин. Корпус 6 деформируемого пластинчатого уплотнения поддерживает деформируемое пластинчатое уплотнение 8, которое может быть, например, слоистым уплотнением. Как показано на фиг.2, выдвижное деформируемое пластинчатое уплотнение находится в открытом положении и пружинная система 10 отжимает корпус 6 деформируемого пластинчатого уплотнения от ротора 2 так, что деформируемое пластинчатое уплотнение 8 не контактирует с ротором 2. Во время пуска и остановки турбомашины, давление среды внутри машины недостаточно для преодоления направленной радиально наружу силы пружин системы 10, которая удерживает уплотнение открытым. Поскольку деформируемое пластинчатое уплотнение 8 наиболее уязвимо при контакте с ротором 2 в эти переходные периоды, отвод деформируемого пластинчатого уплотнения 8 создает большой радиальный зазор между деформируемым пластинчатым уплотнением 8 и ротором 2, тем самым, исключая возможность контакта. Отсутствие контакта между уплотнением 8 и ротором 2, в свою очередь, предотвращает износ уплотнения, генерирование теплоты и проблемы с динамикой ротора.
Во время стабильного режима работы, давление в машине нарастает до достаточно высокой величины, чтобы генерировать силы, которые радиально перемещают деформируемое пластинчатое уплотнение 8 к ротору 2. Это приводит к минимизации зазора между деформируемым пластинчатым уплотнением 8 и ротором 2, обеспечивая хорошие характеристики уплотнения в стабильном режиме работы машины и, тем самым, повышая термодинамическую эффективность машины.
Как показано на фиг.3, в другом варианте настоящего изобретения корпус 6 деформируемого пластинчатого уплотнения поддерживает деформируемое пластинчатое уплотнение 8. Деформируемое пластинчатое уплотнение 8 содержит ограничители 12 осевого потока, ограничивающие поток в осевом направлении турбомашины.
Как показано на фиг.4, в другом варианте настоящего изобретения, корпус 6 деформируемого пластинчатого уплотнения поддерживает деформируемое пластинчатое уплотнение 8, и в корпусе 6 деформируемого пластинчатого уплотнения выполнены ограничители 14 радиального потока для ограничения радиального потока в турбомашине.
Согласно другому варианту настоящего изобретения, показанному на фиг.5, корпус 6 деформируемого пластинчатого уплотнения снабжен выдвижным лабиринтным уплотнением 16. Деформируемое пластинчатое уплотнение 8 дополнено выдвижным лабиринтным уплотнением 16. Выдвижное лабиринтное уплотнение 16 содержит высокие/низкие зубья 18 лабиринта, которые расположены напротив поверхности ротора. Поверхность ротора может содержать последовательность высоких и низких площадок 20 для создания лабиринтного канала для потока между уплотнением и ротором 2.
Как показано на фиг.6, согласно другому варианту настоящего изобретения корпус 6 деформируемого пластинчатого уплотнения может содержать выдвижное истираемое уплотнение 22, дополняющее деформируемое пластинчатое уплотнение 8. Выдвижное истираемое уплотнение 22 содержит высокие/низкие зубья 18 лабиринта, которые расположены напротив площадок 20, выполненных на роторе. На площадки 20 ротора 2 может быть нанесено истираемое покрытие 24.
Как показано на фиг.7, в другом варианте настоящего изобретения выдвижное истираемое уплотнение 22 на корпусе 6 деформируемого пластинчатого уплотнения может быть снабжено истираемым покрытием 26, нанесенным между зубьями 18 лабиринта. Истираемое покрытие 26 на выдвижном истираемом уплотнении 22 расположено напротив зубьев 21 лабиринта, выполненных на роторе 2. На ротор 2 нанесено истираемое покрытие 24, расположенное напротив зубьев 18 лабиринта, выполненных на выдвижном истираемом уплотнении 22. Следует понимать, что на роторе 2 может быть не использовано истираемое покрытие.
Как показано на фиг.8, ротор 2 может содержать осевую поверхность 2а ротора, которая расположена напротив деформируемого пластинчатого уплотнения 8, установленного в корпусе 6. Система 10 пружин выполнена с возможностью смещения корпус 6 деформируемого пластинчатого уплотнения от осевой поверхности 2а ротора в осевом направлении турбомашины.
Как показано на фиг.9, в другом варианте настоящего изобретения, корпус 6 деформируемого пластинчатого уплотнения может быть выполнен с возможностью регулировки радиального положения исполнительным механизмом 30 для регулировки расстояния между регулируемым лабиринтным уплотнением 28 корпуса 6 деформируемого пластинчатого уплотнения и ротором 2. Регулируемое лабиринтное уплотнение 28 содержит зубья 18 лабиринта, расположенные напротив площадок 20, выполненных на роторе 2. Исполнительный механизм 30 может быть пневматическим исполнительным механизмом с подачей рабочей среды извне, например, способным удерживать деформируемое пластинчатое уплотнение 8 открытым, когда это необходимо. Кроме того, следует понимать, что исполнительным механизмом может быть комбинация системы пружин и исполнительного механизма, например, работающего с использованием текучей среды. Следует также отметить, что уплотнение 28 может не содержать зубьев лабиринта и уплотнение 28 может работать только как перемещаемое деформируемое уплотнение.
Как показано на фиг.10, корпус 6 деформируемого пластинчатого уплотнения может поддерживать деформируемое пластинчатое уплотнение 8, которое содержит множество радиальных и осевых ограничителей 32 и 33 потока, соответственно, предназначенных для ограничения утечки текучей среды под высоким давлением со стороны высокого давления на сторону низкого давления турбомашины.
Как показано на фиг.11, в другом варианте настоящего изобретения корпус 6 деформируемого пластинчатого уплотнения может поддерживать деформируемое пластинчатое уплотнение 8, имеющее множество радиальных и осевых ограничителей 32 и 33 потока, соответственно. Ротор 32 может быть снабжен зачеканенными полосками 34, которые расположены напротив корпуса 6 деформируемого пластинчатого уплотнения. Корпус 6 деформируемого пластинчатого уплотнения может содержать нанесенное истираемое уплотнение 36, расположенное напротив полосок 34 ротора 2.
В описанных выше вариантах деформируемое пластинчатое уплотнение 8 может содержать пластины, расположенные в шахматном порядке в осевом направлении, именуемые "чешуйками", которые препятствую утечке потока. Ограничители осевого потока могут содержать элементы ограничителя, например, промежуточные кольца или пластины, которые заставляют утекающую среду при движении в осевом направлении вдоль уплотнения двигаться по извилистой траектории, что улучшает характеристики уплотнения. Радиальные ограничители потока, описанные выше, могут быть внедрены в боковые пластины или в промежуточные пластины уплотнения, что заставит поток двигаться по извилистому пути в радиальном направлении, также улучшая характеристики уплотнения.
В каждом из описанных выше вариантов использование системы пружин и/или исполнительного механизма перемещает сегменты уплотнения от ротора, особенно во время пуска и остановки, чтобы уменьшить или устранить вероятность контакта концов деформируемого уплотнения с ротором. Таким образом, описанные выше варианты продевают срок службы уплотнения и повышают характеристики и надежность машины.
Описанные выше варианты могут быть интегрированы с известным стандартным уплотнением, например, лабиринтным (например, с возвышениями и углублениями), с наклонными зубьями, взаимно зацепляющимися зубьями или точными уплотнительными кольцами. Следует понимать, что варианты деформируемого пластинчатого уплотнения по настоящему изобретению, описанные выше, могут встраиваться в истираемые или лабиринтные уплотнения, или самостоятельно использоваться в турбомашине.
Описанные выше варианты применимы к любым типам деформируемых пластинчатых уплотнений, включая, помимо прочего, чешуйчатые уплотнения, деформируемые уплотнения с осевыми ограничителями потока, деформируемые уплотнения с радиальными ограничителями потока, и конические деформируемые уплотнения. Описанные выше варианты также применимы для радиальных и осевых вариантов уплотнений. Более того, при осевом уплотнении описанные выше варианты также применимы как к сегментированным, так и к не сегментированным уплотнениям.
Описанные выше варианты также могут использоваться в любом месте, где неподвижные и вращающиеся детали расположены в непосредственной близости, включая, помимо прочего, торцевые уплотнения, уплотнения между ступенями ротора, уплотнения ковшеобразных/вильчатых концов, и уплотнения хвостовика сопла/статора.
Следует также понимать, что описанные выше варианты применимы к турбомашинам, например, к паровым и газовым турбинам, компрессорам и авиационным двигателям.
Если для радиального закрывания деформируемых пластинчатых уплотнений используется технология положительного давления с переменным зазором, описанные выше варианты настоящего изобретения также могут содержать коммуникационные отверстия, которые обеспечивают воздействие высокого давления, имеющегося перед уплотнением, на корпус уплотнения для его закрывания.
Хотя настоящее изобретение было описано на примере считающихся в настоящее время наиболее практичных и предпочтительных вариантов, следует понимать, что изобретение не ограничивается описанными вариантами и охватывает различные модификации и эквивалентные решения, входящие в объем изобретения и определенные формулой изобретения.