УПЛОТНЕНИЕ ТУРБИНЫ ИЗ ФТОРПОЛИМЕРОВ Российский патент 2009 года по МПК F01D11/02 

Изобретение относится к энергомашиностроению, в частности к турбиностроению.

Уровень техники

Под термином турбина в обычном понимании принято называть всю турбоустановку, включающую кроме турбины генератор, возбудитель и все вращающиеся механизмы, как то питательные насосы с турбинным приводом. Посмотрев шире, мы видим и газотурбинные, и парогазовые установки тепловых электростанций.

Проблемы уплотнения валов в различных конструкциях полностью не решены до настоящего времени как на подшипниках, так и в уплотнениях цилиндров турбин.

Время требует решить задачу стопроцентного положительного результата полного прекращения выхода любой среды: пара, паромасленных паров, масла, газа на вращающихся валах.

В настоящее время применяется паро- и маслоотбойные кольца различных конструкций (Лосев С.М. ПАРОВЫЕ ТУРБИНЫ, Москва, Госэнергоиздат, 1959, с.95-96, рис.3,48).

Особенно опасно прохождение пара или масла на концевых участках цилиндров и подшипников, что приводит к обводнению масла, потери вакуума и к систематическим пожарам (Лосев С.М. ПАРОВЫЕ ТУРБИНЫ, Москва, Госэнергоиздат, 1959, с.80-81, рис.20).

Так называемые маслоуловители десятилетия не отрабатывают, а пропускают через латунные усики газы и масло, если усик плотно не прижат к валу внизу. В этом случае изнашивается вал. Заводы вынуждены на этих участках увеличивать величину диаметра вала для последующих ремонтов, а ремонтники набивают новые усики.

Плохо обстоит дело с масляными уплотнениями, установленными после водородных (радиальных и аксиальных) уплотнений генераторов с водородным охлаждением.

Протечки масла внутрь генератора, отсутствие четкого толкования по ПТЭ за ответственность по узлу приводит иногда к потере масла в кубических метрах. Малограмотный персонал порой ищет причину потери масла до трех суток! С другой стороны, имеются скрываемые факты полного разрушения генератора и всего агрегата.

Турбины, как все вращающиеся агрегаты в местах выхода вала из корпуса, между валом, корпусом и диафрагмами имеют уплотнения. В зависимости от места установки различают три вида уплотнений: концевые, надбандажные и диафрагменные. Наружные уплотнения предназначены для уменьшения утечек рабочего тела (пара, газа) при давлении выше атмосферного или препятствуют проникновению внутрь корпуса наружного воздуха при давлении ниже атмосферного.

Уплотнения диафрагм должны препятствовать протечкам через зазор между диафрагмами и валом. Наиболее применимые лабиринтовые уплотнения. Принцип устройства лабиринтового уплотнения заключается в пропуске пара, газа через ряд малых зазоров, за каждым из которых следует относительно большая камера. Зигзагообразно проходя через малые зазоры, пар теряет часть давления, меняет кинетическую энергию струи на тепловую, увеличивая удельные объемы и уменьшая скорость вихревого движения.

Конструкция лабиринтового уплотнения определяется радиальными зазорами и усиками, число которых по длине прямо пропорционально зазору.

Все известные лабиринтовые уплотнения характеризуются сложностью конструкции, определяемой условиями безопасности по причине задевания уплотнением вала ротора. При этом остается нерешенной задача прогиба вала в работе при задеваниях ротором уплотнения. В этом случае выходят из строя сегменты уплотнений и поверхность вала.

Усложнение конструкции уплотнений, с одной стороны, использование в них различных материалов, позволяющих уменьшить зазоры, порой сводятся на нет практикой монтажа, наладки и ремонтов уплотнений, когда ввиду недостаточной квалификации специалистов зазоры вместо минимальных устанавливаются максимальными, что резко снижает кпд турбины. При плотной установке уплотнений на вал уплотняющие усики изнашивают поверхность вала.

Известно лабиринтовое уплотнение, состоящее из корпуса, имеющего выточки, в которых размещены, как правило, шесть (по три на половину) сегментов елочного типа, где усики вытачиваются для цилиндров высокого и среднего давления заодно с кольцами, а в цилиндрах низкого давления латунные усики выполняются из листовой латуни.

Штампованные усики 2-миллиметровой толщины после заводки в пазы колец зачеканиваются и протачиваются. Каждое уплотнительное кольцо из плотно пригнанных друг к другу сегментов отжимается к центру на посадочные поверхности пазов пластинчатыми пружинами.

Пружины не должны быть слишком жесткими и должны допускать прогиб сегмента рукой: и не должны быть слишком эластичными, так как иначе не будет обеспечена правильная установка колец. При естественном ослаблении натяга пружин верхние сегменты просто ослабевают, а нижние отходят от вала, увеличивая зазоры.

Принцип работы уплотнения любой конструкции заключается в обеспечении минимального пропуска пара через ряд малых зазоров, следовательно, требования к надежности уплотнения довольно высоки, а основной задачей разработчика таких уплотнений является обеспечить уплотнение, имеющее радиальные зазоры, характеризующееся удобством сборки, простотой ремонта и удобством разборки при минимальных трудозатратах как на изготовление уплотнения, так и на его ремонт.

Уплотнения характеризуются довольно сложными способами изготовления.

Все вышеизложенные недостатки решаются ниже описанным усовершенствованным уплотнением.

За прототип из всех аналогов выбираем уплотнение турбины, описанное в описании полезной модели по заявке №98119014/20, свидетельство №10422 от 16 июля 1999 г.

В данной полезной модели согласно формуле уплотнение содержит корпус, в котором выполнена, по крайней мере, одна кольцевая канавка, в которой размещено и жестко закреплено кольцо, имеющее на наружной стороне выступ, а на внутренней поверхности усики, при этом выступ и усики выполнены из того же материала, что и кольцо на основе фторполимера, и имеют радиальный разрез. Данную модель принимаем за аналог и естественно за прототип.

Полезная модель прототипа имеет прямые усики, что является слабым фактором конструкции.

Раскрытие изобретения

Осмотренное после эксплуатации уплотнительное кольцо показало работоспособность всех заложенных в него факторов эксплуатационного характера, основными из которых явилось полное отсутствие прохождения среды в обе стороны.

Данная плотность уплотнительного кольца была достигнута хаотичным искривлением усиков по неровной поверхности существующего вала.

Искривление и подтачиваемость заостренных усиков наблюдается и в обработанном по условиям чертежа валу.

Таким образом, во всех случаях установки кольца, даже с учетом коэффициента линейного расширения Ф-4, имеется отрицательный фактор заложенной конструкции. А именно, в случае отклонения вибрации ротора выше номинальных имеет место естественный износ прямых усиков, учитывая неравномерное переменное значение коэффициента линейного расширения фторопласта марки Ф-4, характер вибрационных наслоений на продолжительность по времени. Уплотнение выходит из строя, поскольку является в данном случае высоко квалифицированным фторопластовым уплотнением, не имеющим на сегодня находящихся в эксплуатации аналогов по работоспособности и эксплуатационным характеристикам предметом высшей оценки.

Как видно с позиции механики мы имеем отнюдь не филигранную конструкцию. Естественным выходом с физической точки зрения является выполнение угла наклона усиков. Не указывая угла наклона, определяемого рядом причин исполнительского характера, квалификации, имеющегося оборудования в идеальном случае наклон имеет следующие преимущества:

- наклонный усик по окружности дает идеальное уплотнение, образуя гофру;

- наклонный усик пропускает большую массу вибрационных колебаний ротора с различной частотой, не подвергаясь износу, опять таки определяемому вышеназванными факторами

- таким образом, ряд усиков выполнен на одном кольце в одном уплотнении и могут служить бесконечное количество времени, подвергаясь разборке и сборке, что апробировано.

В изобретении выполняются усики, имеющие определенный наклон.

Данное уплотнение не имеет снижения своего уровня техники по всем другим параметрам.

Известно, что наиболее применимый в практике данного узла и используемый в рабочем порядке фторопласт марки Ф-4 имеет низкую теплопроводность, что дает широкую возможность варьировать различными технологиями при установке уплотнений на различных участках проточной части турбины в зависимости от зон температур и диаметров.

Безусловно при надлежащей сборке и эксплуатации турбины данное уплотнение работает весь срок патента - т.е. жизненный цикл агрегата.

Изобретением исключаются предвходящие причины возможного отклонения вибрации вала при определенных скоростях, состояния подтачивания усиков. В этом случае качество улучшается.

Изобретением нивелируется отрицательное свойство фторопласта-4, выраженное температурной зависимостью коэффициента линейного расширения с его всплеском при температуре 20°С. Сущность изобретения как технического решения выражается одним признаком, достаточным для достижения обеспечиваемого изобретением технического результата - выполнением наклонных усиков, образующих ряд полугофр. Причинно-следственная связь признака определяется техническим эффектом, свойством, проявляющимся после изготовления и установки в эксплуатации. Технический результат выражается в снижении трения, сохранении формы уплотнения на весь период эксплуатации, обеспечения высшей степени качества и предназначения уплотнения.

Задача, на решение которой направлено изобретение, решается изменением выполнения точеных усиков выражающимся в их наклоне к оси уплотнения и вала.

Если апробация уплотнений с зазором 0-0,05 мм с прямыми усиками указывает на усложненный технологический порядок проточки и сборки, а так же имеющие место задевания усиков при вращении вала на различных скоростях при обеспечении плотности испытуемых вариантов, но не устраивало абсолютную промышленную применимость и филигранность конструкции по причине износа усиков, то выполнение кольца с наклонными усиками обеспечивает следующие свойства узла с достижением технического результата:

1. При определенных скоростях обычный прямой усик может стачиваться, а наклонный отклоняется на все время возмущения вибрации вала при критических оборотах, а так же в аварийных случаях. Отклоняясь, усики могут выдержать вибрацию значительно дольше по времени, чем постоянное смещение вала на усики согласно проведенному опыту по критическим оборотам.

2. В данном варианте уплотнение остается в работе на все межремонтные периоды.

3. Наклоны усиков определяются их высотой, диаметрами валов, формой выполнения, квалификацией исполнителей, опытом.

Усики обрабатываются легко, что свойственно фторопласту-4.

В процессе работы усики на внутренней поверхности, не изнашивая гладкую поверхность вала, частично отгибаясь, принимая рабочую форму, приобретают высокую эксплуатационную применимость и надежность, обеспечивая высокую плотность уплотнения, исключающую собственный износ. Таким образом данное уплотнение обеспечивает долговечность.

Изобретательский уровень кроется в способности гофрирования всего ряда тарельчатых усов.

Определенным преимуществом данной конструкции является его плотность в остановленном роторе, что особенно важно для конденсационных турбин, т.к. повышается технический результат изобретения. Характеристика технического эффекта проявляется использованием свойств фторопласта-4. Достаточно определиться с толщиной стенки по оси между двух ребер, как заметится не видная явным образом для специалиста способность прогибаться во внутрь на вал стенки усиков.

Положительное сохранение формы кольца на протяжении любого срока эксплуатации независимо от любого прохождения среды. Технический характер данного уплотнения будет углубляться, как и расширение арсенала технических средств, направленного на совершенствование технологии изготовления, упрощения и модификации, введя устройство к нескольким техническим результатам во всех окружностных уплотнениях цилиндра турбины с определенным температурным пределом. Таким образом, определяются отличительные от прототипов особенности, приводящие к испрашиваемому объему правовой охраны.

Как в частности, так и в общем, мы имеем взаимосвязанные конструктивные элементы, имеющие между собой связь и расположение. Кроме всего, налицо выполнение различных геометрических форм, тоже взаимосвязанных с учетом параметров среды, характеристик элементов, выбранных материалов из фторполимеров со своими свойствами и учету функционального выполнения в данной среде. Например, изменение температуры может вести к разнозначным но положительным характеристикам предназначенного свойства какого-либо элемента уплотнения.

Краткое описание чертежей

Изобретение поясняется на примере выполнения. На фигуре 1 изображено радиальное сечение уплотнения с применением кольцевого уплотнения из фторопласта марки Ф-4. Устройство имеет вал (поз.1), внутреннюю обойму (поз.2), корпус (поз.3), кольцо (поз.4) из фторопласта-4 с усиками (поз.5). Как видно на фигуре уплотнительные усики имеют прямую форму.

На фигуре 2 изображено то же уплотнение, имеющее вал (поз.1), внутреннюю обойму (поз.2), корпус (поз.3), кольцо (поз.4) из фторопласта-4 с усиками (поз.5), отличающееся от фигуры 1 тем, что ряд усиков выполнен наклонными.

В соответствии с заявленным изобретением изготовленное уплотнение, изображенное на фигуре 2, исключает все выше описанные недостатки, прошло полное испытание на одной из ТЭЦ Свердловской области. Результаты испытаний работы уплотнения положительны, полностью соответствуют указанному выше техническому результату.

Заявленное конструкторское решение, имеющее усовершенствованный ряд усиков, определяющих его наклон благодаря легкости исполнения усиков, завершает поставленную задачу. Качество уплотнения переходит в повышенный порядок.

Промышленная применимость данного типа уплотнения неоспорима и доказана.

Новизна данного уплотнения, определяемая вышеперечислеными положительными качествами уплотнения, определяется техническим результатом поставленной задачи, изложенной выше новой информацией с применением фторполимера и другими факторами.

Изобретательский уровень уплотнения определяется исключительно наклонной формой усиков в обе стороны по валу с использованием всех физических и механических свойств фторполимера (в частном случае фторопласта Ф-4) для кольца, имеющего различные геометрические формы в сечении, а так же заложенные в свойства геометрии сечения кольца на его форму при вибрациях ротора, гасящие их, что является мало исследованным фактором для специалистов, занимающихся внедрением изобретения.

Изобретение относится к энергомашиностроению, в частности к турбостроению. Изобретением решается задача создания уплотнений турбины (маслоуловителей), турбогенератора (после водородных уплотнений), вращающихся агрегатов (насосов, двигателей), характеризующихся высокой эксплуатационной надежностью, простотой их изготовления, эксплуатацией на весь срок работы турбины. Для решения поставленной задачи в уплотнении турбины, содержащем корпус, в котором выполнена, по крайней мере, одна кольцевая канавка с размещенным и жестко закрепленным в ней кольцом, имеющим на наружной поверхности выступ, а на внутренней поверхности усики, при этом выступ и усики выполнены из того же материала, что и кольцо на основе фторполимеров с радиальным разрезом, усики выполнены с наклоном в обе стороны по валу с возможностью прогиба вместе со стенкой основания кольца. 2 ил.

Уплотнение турбины из фторполимеров, содержащее корпус, в котором выполнена, по крайней мере, одна кольцевая канавка, с размещенным и жестко закрепленным в ней кольцом, имеющим на наружной поверхности выступ, а на внутренней поверхности усики, при этом выступ и усики выполнены из того же материала, что и кольцо на основе фторполимеров с радиальным разрезом, отличающееся тем, что усики выполнены с наклоном в обе стороны по валу с возможностью прогиба вместе со стенкой основания кольца.