СОТОВОЕ УПЛОТНЕНИЕ ДЛЯ ПАРОВОЙ ТУРБИНЫ Российский патент 2006 года по МПК F01D11/08 

Изобретение относится к уплотнениям, в частности к лабиринтовым уплотнениям между подвижными относительно одна относительно другой поверхностями, и может быть использовано в надбандажных уплотнениях цилиндров высокого давления паровых турбин.

Известно сотовое уплотнение (Смоленский А.Н. Конструкция и расчет деталей паровых турбин, М.: Машиностроение, 1964, с.215-216), которое выполнено в виде сотовых вставок, размещенных в корпусе статора, охватывающих с радиальным зазором кольцевые уплотнительные гребни, расположенные на бандаже рабочих лопаток ротора.

Недостаток известного уплотнения заключается, прежде всего, в сложности его закрепления в корпусе статора, что снижает его технологичность в производстве, а также снижает удобство при монтаже и ремонте. Кроме того, в известном изобретении уплотнение размещено только над уплотнительными гребнями бандажа, что снижает эффективность уплотнения.

Наиболее близким к предлагаемому является сотовое уплотнение для паровой турбины, содержащее установленную в корпусе статора уплотнительную обойму с сотовыми вставками, которые охватывают с радиальным зазором кольцевые уплотнительные гребни бандажа рабочих лопаток ротора, при этом уплотнительная обойма выполнена кольцевыми уплотнительными гребешками, которые с осевым зазором охватывают с обеих сторон кольцевые уплотнительные гребни бандажа рабочих лопаток ротора, при этом радиальный зазор кольцевых уплотнительных гребешков превышает радиальный зазор уплотнения над кольцевыми уплотнительными гребешками бандажа, а сотовые вставки размещены между уплотнительными гребешками обоймы (РФ, патент №2150627, F 16 J 15/447, публ.06.10.2000 г.)

Недостаток известного уплотнения заключается в следующем. Выполнение обоймы для сотового уплотнения кольцевыми уплотнительными гребешками, которые с осевым зазором охватывают с обеих сторон кольцевые уплотнительные гребни бандажа рабочих лопаток ротора, усложняет конструкцию уплотнения, что снижает его технологичность в производстве, а также снижает удобство при монтаже и ремонте. Это объясняется повышенным требованием к точности размещения кольцевых уплотнительных гребешков как в осевом, так и в радиальном направлениях. Особенно повышены требования к внутреннему гребешку при выполнении радиального зазора, так как неточное выполнение и размещение приводит к касанию кромкой гребешка поверхности бандажа и повреждению его поверхности (появление рисок на поверхности бандажа).

Кроме того, в известной конструкции уплотнения отсутствует уплотнение непосредственно над поверхностью бандажа в кольцевой расширительной камере, образованной между внутренними уплотнительными гребешками, что снижает гидравлическое сопротивление рабочей среде при ее продвижении через уплотнение, что, в свою очередь, снижает эффективность уплотнения.

Таким образом, выявленные в результате патентного поиска сотовые уплотнения для паровых турбин, аналог и прототип заявленного изобретения, при осуществлении не обеспечивают достижение технического результата, заключающегося в упрощении конструкции уплотнения, повышении его технологичности в производстве, в повышении удобства при монтаже и ремонте, в повышении эффективности уплотнения.

Предлагаемое изобретение решает задачу создания сотового уплотнения для паровой турбины, которое при осуществлении обеспечивает достижение технического результата, заключающегося в упрощении конструкции уплотнения, повышении его технологичности в производстве, в повышении удобства при монтаже и ремонте, в повышении эффективности уплотнения.

Сущность изобретения заключается в том, что в сотовом уплотнении для паровой турбины, содержащем установленную в корпусе статора уплотнительную обойму с сотовыми вставками, которые охватывают с радиальным зазором кольцевые уплотнительные гребни бандажа рабочих лопаток ротора, новым является то, что сотовые вставки выполнены ступенчатыми и охватывают с радиальным зазором бандаж рабочих лопаток ротора с образованием левой и правой кольцевых расширительных камер, у которых одной боковой стенкой является внутренняя боковая поверхность соответствующих уплотнительных гребней бандажа, а второй - соответствующая вертикальная боковая поверхность ступени сотовой вставки, при этом уплотнительная обойма выполнена с кольцевыми уплотнительными гребешками, которые с осевым зазором охватывают с наружной стороны кольцевые уплотнительные гребни бандажа рабочих лопаток ротора.

Технический результат достигается следующим образом.

Размещение сотовых вставок в корпусе статора турбины в обойме упрощает конструкцию уплотнения, делает конструкцию уплотнения технологичной в производстве и удобной при монтаже и ремонте. Кроме того, использование для уплотнения обоймы обеспечивает жесткую фиксацию уплотнения, что обеспечивает работу ротора без задеваний при различных переходных режимах: пусках, остановках, сбросах нагрузки. Это также позволяет устанавливать уплотнение с заданным радиальным зазором, в том числе и с минимально допустимым. Все это повышает эффективность уплотнения.

Поскольку уплотнительная обойма выполнена с кольцевыми уплотнительными гребешками, которые с осевым зазором охватывают кольцевые уплотнительные гребни бандажа рабочих лопаток ротора только с наружной стороны, это позволяет полностью по сравнению с прототипом исключить возможность касания кромкой уплотнительного гребешка поверхности бандажа при различных переходных режимах: пусках, остановках, сбросах нагрузки, что упрощает и повышает технологичность конструкции уплотнения. В результате предотвращается появление рисок на поверхности бандажа, наличие которых на вращающемся элементе приводит к снижению его механической прочности (Смоленский А.Н. Конструкция и расчет деталей паровых турбин, М.: Машиностроение, 1964, с.120).

Выполнение сотовых вставок ступенчатыми позволяет отказаться от внутренних кольцевых уплотнительных гребешков, охватывающих уплотнительные гребни бандажа. Это упрощает форму обоймы и одновременно позволяет сохранить кольцевые расширительные камеры как над надбандажными гребнями, так и над поверхностью бандажа, что обеспечивает достижение заявленного технического результата.

Известно, что использование сотовых вставок для выполнения уплотнения позволяет изменить характер течения дросселируемой рабочей среды и создать гидравлическое сопротивление потоку рабочей среды путем многократного изменения направления движения потока через соты вставок. При этом в заявленном изобретении возможность выполнения сотовых вставок ступенчатой формы позволяет организовать дополнительное гидравлическое сопротивление потоку рабочей среды за счет образования левой и правой кольцевых расширительных камер: сотовые вставки охватывают с радиальным зазором бандаж рабочих лопаток ротора с образованием левой и правой кольцевых расширительных камер, у которых одной боковой стенкой является внутренняя боковая поверхность соответствующих уплотнительных гребней бандажа, а второй - соответствующая вертикальная боковая поверхность ступени сотовой вставки. В результате образуется ступенчатое лабиринтовое уплотнение, выполненное сотовыми вставками. В узкой кольцевой щели поток ускоряется и его давление падает, а в камере за щелью скорость потока практически снижается до нуля. В следующих щелях и камерах процесс повторяется. Таким образом, давление потока утечек по мере его прохождения через камеры лабиринтового уплотнения уменьшается. При этом по сравнению с прототипом в котором отсутствует уплотнение непосредственно над бандажом лопатки и это пространство выполняет функцию кольцевой расширительной камеры, в предлагаемом изобретении эта кольцевая расширительная камера заполнена сотовыми вставками, т.е. многочисленными расширительными камерами. Поскольку стенки сот очень тонкие (преимущественно 0,05 мм), то объем расширительной камеры над надбандажной поверхностью практически сохраняется по сравнению с прототипом, но за счет того, что соты многократно изменяют направление движения потока рабочей среды по сравнению с прототипом гидравлическое сопротивление потоку рабочей среды увеличивается. В результате в предлагаемом изобретении благодаря образованию проходных сечений левой и правой кольцевыми расширительными камерами и многократному дросселированию рабочей среды при протекании через зазоры, образованные сотовыми вставками, практически при тех же объемах расширительной камеры над надбандажной поверхностью в сравнении с прототипом реализуется возможность получения дополнительного многократного ступенчатого изменения направления потока рабочей среды, что создает на пути перетекающей рабочей среды дополнительное гидравлическое сопротивление по сравнению с прототипом, вследствие чего эффективность уплотнения повышается.

Кроме того, выполнение уплотнительной обоймы с кольцевыми уплотнительными гребешками, которые с осевым зазором охватывают кольцевые уплотнительные гребни бандажа рабочих лопаток ротора только с наружной стороны, и выполнение сотовых вставок ступенчатыми упрощает конструкцию сотового уплотнения в целом, что повышает ее технологичность в производстве, повышает удобство при монтаже и ремонте.

При этом предлагаемое сотовое уплотнение не теряет эффективности при возникновении ситуаций, характерных для различных переходных режимов: пуск, остановка, сброс нагрузки. Это объясняется следующим. Сотовые вставки охватывают кольцевые уплотнительные гребни бандажа рабочих лопаток ротора с радиальным зазором. В момент возникновения переходного режима возможно врезание надбандажных гребней и шипа крепления бандажа в надбандажное уплотнение. Поскольку стенки сотов в уплотнении имеют толщину всего 0,05 мм, в уплотнении формируются кольцевые канавки, которые совместно с гребнями образуют уплотняющий лабиринт, что не снижает эффективность уплотнения.

Таким образом, из вышеизложенного следует, что заявленное сотовое уплотнение для паровой турбины при осуществлении обеспечивает достижение технического результата, заключающегося в упрощении конструкции уплотнения, повышении его технологичности в производстве, в повышении удобства при монтаже и ремонте, в повышении эффективности уплотнения.

На фигурах изображено два варианта выполнения сотового уплотнения ступенчатой формы для паровой турбины: на фиг.1 - уплотнительная обойма выполнена в форме буквы П, а ступенчатая форма уплотнения вырезана непосредственно из сотового уплотнения; на фиг.2 - уплотнительная обойма выполнена ступенчатой формы, а на горизонтальных поверхностях ступеней закреплено сотовое уплотнение.

Сотовое уплотнение для паровой турбины содержит установленную в корпусе статора 1 уплотнительную обойму 2 с сотовыми вставками 3. Сотовые вставки 3 выполнены ступенчатыми и охватывают с радиальным зазором кольцевые уплотнительные гребни 4 бандажа 5 рабочих лопаток 6 ротора (не показан) и бандаж 5 рабочих лопаток ротора с шипом 7 крепления с образованием левой 8 и правой 9 кольцевых расширительных камер. У камеры 8 и 9 одной боковой стенкой является внутренняя боковая поверхность соответствующих уплотнительных гребней 4 бандажа 5, а второй - соответствующая вертикальная боковая поверхность ступени сотовой вставки 3. Уплотнительная обойма 2 выполнена с кольцевыми уплотнительными гребешками 10, которые с осевым зазором охватывают с наружной стороны кольцевые уплотнительные гребни 4 бандажа 5 рабочих лопаток 6 ротора.

Минимальную ширину сотовой вставки выбирают с учетом осевых перемещений ротора. Высоту соты выбирают из условия непрорезания вставки полностью гребнем бандажа до внутренней поверхности обоймы. Сотовую вставку размещают в обойме на глубине от 3 до 6 мм. Сотовая вставка может быть выполнена из равносторонних шестигранных или четырехгранных ячеек, размером порядка 0,9 мм (где 0,9 - диаметр вписанной окружности), полученных путем высокотемпературной пайки гофрированных лент, толщиной преимущественно 0,05 мм из жаростойкого материала, например ХН78Т, как между собой, так и цилиндрической поверхностью обоймы (патент РФ №2150627, F 16 J 15/447, публ.06.10.2000 г.)

Величину минимального радиального зазора выбирают конструктивно, исходя из множества факторов: неравномерность температурного расширения корпуса статора и ротора, изменение упругих и пластических деформаций лопаток ротора, бандажа от действия центробежных сил и т.п.

Сотовое уплотнение для паровых турбин работает следующим образом. Сотовые вставки 3 охватывают с кольцевым радиальным зазором кольцевые уплотнительные гребни 4 бандажа 5 рабочих лопаток 6 ротора (не показан) и бандаж 5 рабочих лопаток 6 ротора с образованием левой 8 и правой 9 кольцевых расширительных камер, у которых одной боковой стенкой является внутренняя боковая поверхность соответствующих уплотнительных гребней 4 бандажа 5, а второй - соответствующая вертикальная боковая поверхность ступени сотовой вставки 3. В результате образуется лабиринтное уплотнение. При движении потока рабочей среды (пара) под действием перепада давления на уплотнении рабочая среда дросселируется в зазорах уплотнения. При этом помимо многократного дросселирования рабочей среды при протекании через зазоры сот 3 направление потока многократно ступенчато изменяется благодаря наличию лабиринтного уплотнения, что создает на пути перетекающей рабочей среды дополнительное гидравлическое сопротивление, вследствие чего повышается эффективность уплотнения.

При ситуациях, возникающих при различных переходных режимах: пусках, остановках, сбросах нагрузки допускается врезание надбандажных гребней 4 и шипа крепления 7 в сотовые вставки 3 уплотнения. В результате врезания в них формируются кольцевые канавки, которые совместно с гребнями 4 и шипом крепления образуют уплотняющий лабиринт, что не снижает эффективность уплотнения.

Область использования: изобретение относится к уплотнениям, в частности к лабиринтовым уплотнениям, и может быть использовано в надбандажных уплотнениях цилиндров высокого давления паровых турбин. В корпусе статора закреплена уплотнительная обойма с сотовыми вставками. Вставки выполнены ступенчатыми. Вставки охватывают с радиальным зазором кольцевые уплотнительные гребни бандажа рабочих лопаток ротора и бандаж с шипом крепления с образованием левой и правой кольцевых расширительных камер. Уплотнительная обойма выполнена с кольцевыми уплотнительными гребешками, которые с осевым зазором охватывают с наружной стороны кольцевые уплотнительные гребни бандажа рабочих лопаток ротора. Достигаемый технический результат - упрощение конструкции уплотнения, повышение технологичности в производстве, повышение удобства при монтаже и ремонте, повышение эффективности уплотнения. 2 ил.

Сотовое уплотнение для паровой турбины, содержащее установленную в корпусе статора уплотнительную обойму с сотовыми вставками, которые охватывают с радиальным зазором кольцевые уплотнительные гребни бандажа рабочих лопаток ротора, отличающееся тем, что сотовые вставки выполнены ступенчатыми и охватывают с радиальным зазором бандаж рабочих лопаток ротора с образованием левой и правой кольцевых расширительных камер, у которых одной боковой стенкой является внутренняя боковая поверхность соответствующих уплотнительных гребней бандажа, а второй - соответствующая вертикальная боковая поверхность ступени сотовой вставки, при этом уплотнительная обойма выполнена с кольцевыми уплотнительными гребешками, которые с осевым зазором охватывают с наружной стороны кольцевые уплотнительные гребни бандажа рабочих лопаток ротора.