КОНЦЕВОЕ УПЛОТНЕНИЕ ТУРБОМАШИНЫ Российский патент 1997 года по МПК F01D11/02 

Изобретение относится к области турбомашиностроения, а более точно к концевому уплотнению турбомашины, в частности паровой турбины.

Известно, что значительную долю потерь энергии турбомашины составляют потери, связанные с протечками рабочего тела как внутри проточной части, так и через концевые уплотнения. В качестве концевых уплотнений наибольшее распространение получили лабиринтные уплотнения. При этом, учитывая большой перепад давления на концевом уплотнении турбомашины, для уменьшения протечек используют большое число дросселирующих элементов, что приводит к увеличению длины ротора. В некоторых паровых турбинах концевые уплотнения занимают до 30 40% от длины ротора.

Известны бесконтактные уплотнения турбомашин, которые содержат лопаточную решетку, создающую турбулизирующий эффект, эффект противодавления или выравнивающую поле скоростей рабочего тела. Эти уплотнения более компактны, чем лабиринтные. Однако первые из двух указанных требуют дополнительных затрат энергии, а последнее имеет низкую уплотняющую способность.

Наиболее близким к изобретению по совокупности конструкционных признаков является концевое уплотнение турбомашины, содержащее последовательно расположенные по потоку совокупность неподвижной и вращающейся лопаточных решеток и лабиринтную секцию. В известном уплотнении такого типа с помощью лопаточных решеток в виде компрессорной ступени решается задача повышения вибрационной устойчивости ротора турбомашины. Однако такое уплотнение не уменьшает величину протечек и вместе с тем требует затрат энергии.

В основу изобретения поставлена задача создания концевого уплотнения турбомашины с использованием лопаточных решеток, которые, обеспечивая снижение давления в большей степени, чем лабиринтная секция, и тем самым снижая протечки или размеры уплотнения, вместе с тем не требовали бы затрат энергии.

Эта задача решена в концевом уплотнении турбомашины, содержащем последовательно расположенные по потоку по меньшей мере одну совокупность неподвижной и вращающейся лопаточных решеток и лабиринтную секцию, в котором в соответствии с сущностью изобретения совокупность лопаточных решеток выполнена в виде турбинной ступени.

В таком уплотнении в соответствии с известным рабочим процессом в сопловой и рабочей решетках турбинного типа происходит уменьшение энтальпии рабочего тела, сопровождающееся снижением его давления. При протекании этого процесса снижение давления происходит в большей степени, чем в лабиринтной секции того же размера, а следовательно, и уменьшается перепад давления на последующей лабиринтной секции, что позволяет уменьшить протечки через кольцевое уплотнение. Вместе с тем использование турбинной ступени позволяет не только предотвратить потери энергии на концевом уплотнении, но и выработать дополнительную мощность.

На фиг. 1 изображено концевое уплотнение паровой турбины в продольном разрезе; на фиг. 2 турбинная ступень уплотнения на фиг. 1 с разрезом по А-А в развертке в увеличенном масштабе.

Изображенное на фиг. 1 концевое уплотнение предназначено для паровой турбины, содержащей статор 1 и ротор 2. В кольцевой щели между валом 3 ротора 2 и статором 1 последовательно по ходу паропротечки расположены две различные части концевого уплотнения.

Первая из этих частей выполнена в виде совокупности неподвижной лопаточной сопловой решетки 4 и вращающейся лопаточной решетки турбинного типа 5, образующих турбинную ступень (фиг. 2).

Геометрические размеры и газодинамические параметры сопловой 4 и вращающейся решеток 5 рассчитываются по общеизвестным зависимостям с учетом условий наиболее экономичного использования в этих решетках располагаемого теплоперепада при номинальной частоте вращения ротора турбомашины.

Вторая часть концевого уплотнения (фиг. 1) выполнена в виде секции обычного лабиринтного уплотнения с гребешками 6 и расширительными камерами 7.

Работа уплотнения происходит в соответствии с известными физическими явлениями преобразования энергии пара в турбинной ступени и дросселирования в лабиринтной секции. При этом в отличие от других известных концевых уплотнений в описанном уплотнении при прохождении протечек через турбинную ступень происходит выработка дополнительной энергии.

В соответствии с изобретением была произведена конструкторская проработка переднего концевого уплотнения цилиндра среднего давления турбины ЛМЗ типа К-300-240. При этом исследовались возможности турбинной ступени с высотой лопаток 4,5 мм в качестве уплотняющего элемента первой ступени концевого уплотнения. Расчеты показали следующее.

При обычных протечках пара через концевое уплотнение G_пр 12,06 т/ч одна турбинная ступень снижает давление парапротечек в той же мере, что и секция лабиринтного уплотнения, имеющая длину, на 30% больше, чем соответствующий размер турбинной ступени. При одинаковых габаритных размерах турбинная ступень, заменяющая в концевом уплотнении ротора лабиринтную секцию, позволяет снизить протечки на 16% Вместе с тем изобретение позволяет при оптимальных режимах работы генерировать дополнительно около 100 кВт•ч электроэнергии.

Использование: в турбомашиностроении. Сущность изобретения: концевое уплотнение турбомашины содержит последовательно расположенные по ходу протечек рабочего тела совокупность неподвижной (4) и вращающейся (5) решеток и лабиринтную секцию (6, 7). При этом совокупность лопаточных решеток выполнена в виде турбинной ступени с сопловой (4) и рабочей (5) решетками. Такое выполнение позволяет уменьшить протечки или размеры концевого уплотнения без потребления энергии. 2 ил.

Концевое уплотнение турбомашины, содержащее последовательно расположенные по потоку по меньшей мере одну совокупность неподвижной и вращающейся лопаточных решеток и лабиринтную секцию, отличающееся тем, что совокупность лопаточных решеток выполнена в виде турбинной ступени.