УСТАНОВКА, СОДЕРЖАЩАЯ ВРАЩАТЕЛЬНЫЙ МЕХАНИЗМ, И УСТАНОВКА, СОДЕРЖАЩАЯ РОТОР Российский патент 2014 года по МПК F16J15/447 F01D11/02 

Изобретение, описанное в данном документе, относится к уплотнительным узлам, а более конкретно, к гребешкам ротора, имеющимся в уплотнительных узлах.

Как правило, такие уплотнительные узлы могут применяться между вращающимися и неподвижными частями вращательных механизмов, например, в паровых турбинах, газовых турбинах, генераторах и компрессорах. Вращательные механизмы могут обеспечивать протекание текучей среды между одной или несколькими ступенями вращающихся компонентов для генерирования энергии или сжатия текучей среды. Уплотнительные узлы могут быть расположены между ступенями, на входе в ступени и/или на выходе из них, уменьшая протечку текучей среды между неподвижными и вращающимися компонентами. Обычно уплотнительные узлы содержат зубцы, которые согласованы с гребешками ротора с образованием препятствий, сдерживающих поток текучей среды. Проблема состоит в том, что текучая среда зачастую протекает прямо по направлению к месту раздела, что может привести к более значительной протечке.

Так, в патенте США №1848613, опубликованном 8 марта 1932 г., предложен уплотнительный узел, который также содержит зубцы, которые согласованы с гребешками ротора с образованием препятствий. Гребешки имеют попеременно большую и меньшую высоту, периферийные участки этих гребешков расширены путем выполнения боковых выступов развальцовкой, чтобы добиться максимально возможной периферийной поверхности уплотнения. Зубцы проходят в радиальном направлении внутрь от кольцевого уплотнительного элемента и имеют тонкие края, взаимодействующие с периферийными поверхностями гребешков, чтобы сформировать близкие зазоры. В некоторых машинах, с которыми может быть использован такой уплотнительный узел, наблюдается некоторое относительное осевое перемещение, из-за неодинаковых температурных условий в турбине. Поэтому известное уплотнение является эффективным для осевого перемещения, равного ширине периферийных участков гребешков. Тонкие края периферийных участков, выполненные развальцовкой гребешков, при чрезмерном осевом перемещении ротора, из-за износа подшипника тяги или по другой причине, могут входить в контакт с зубцами, создавая визжащий шум, который предупреждает оператора. Поскольку края тонкие, повреждение не происходит, разве что небольшой износ краев. Однако в известном уплотнительном узле не была решена проблема эффективного преобразования кинетической энергии текучей среды, протекающей через уплотнение, в энергию давления, тем самым, сводя к минимуму протечку текучей среды из областей высокого давления в области низкого давления. Это может быть получено за счет выполнения зубцов и гребешков ротора определенной формы и расположения их относительно друг друга определенным образом, в результате чего между зубцами и гребешками ротора могут быть образованы камеры, оптимизирующие распределение давлений и уменьшающие давление на границе раздела между каждым зубцом и гребешком ротора.

Краткое описание изобретения

Ниже кратко изложены некоторые варианты выполнения, объем притязаний которых соответствует первоначально заявленному изобретению. Указанные варианты выполнения не ограничивают объем охраны заявленного изобретения, а скорее предназначены исключительно для изложения краткой сущности возможных вариантов изобретения. В действительности изобретение может охватывать различные варианты, которые могут быть сходны с изложенными ниже вариантами выполнения или отличаться от них.

В указанных вариантах выполнения решена проблема эффективного преобразования кинетической энергии текучей среды, протекающей через уплотнение, в энергию давления, тем самым, сводя к минимуму протечку текучей среды из областей высокого давления в области низкого давления. Эта проблема не была решена в предшествующем уровне техники.

В первом варианте выполнения вращательный механизм содержит вращающийся компонент, неподвижный компонент и уплотнительный узел, расположенный между вращающимся и неподвижным компонентами указанного механизма. Уплотнительный узел содержит зубцы, расположенные в первых осевых местах на расстоянии друг от друга вдоль оси вращения вращающегося компонента, и гребешки, расположенные в тех же первых осевых местах с обеспечением осевого согласования с зубцами. Каждый гребешок имеет поверхность, расположенную смежно с одним из уплотнительных зубцов, и первую и вторую противолежащие боковые поверхности, проходящие от указанной поверхности в радиальном внутреннем направлении, и имеют треугольную выемку, выполненную на первой, второй или на обеих боковых поверхностях.

Зубцы и гребешки могут быть выполнены в виде соответственно кольцевых зубцов и кольцевых гребешков, а выемки выполнены в виде кольцевых выемок, проходящих в осевом направлении в гребешки.

Указанные первая и вторая боковые поверхности могут иметь противоположенные выемки, которые сужаются по направлению друг к другу.

Выемка может быть расположена на первой боковой поверхности гребешка против потока текучей среды, проходящей в первом направлении от первой боковой поверхности ко второй боковой поверхности, причем выемка выполнена с обеспечением изменения направления протекания текучей среды с первого направления на второе направление.

Вращательный механизм может представлять собой паровую турбину, имеющую уплотнительный узел.

Во втором варианте выполнения ротор содержит кольцевой гребешок, выполненный с обеспечением согласования с уплотнительным кольцом в газотурбинном двигателе. Кольцевой гребешок имеет радиальный выступ, проходящий от первого радиуса к радиальной поверхности, расположенной на втором радиусе. Радиальная поверхность выполнена с обеспечением согласования с указанным уплотнительным кольцом. Первый осевой размер радиального выступа проходит между первым и вторым радиусами, а его второй осевой размер находится на втором радиусе. Первый осевой размер по меньшей мере примерно на 20% меньше второго осевого размера.

Радиальный выступ может представлять собой в целом треугольный выступ или в целом Т-образный выступ.

В третьем варианте выполнения установка содержит уплотнительный узел, устанавливаемый между корпусом и ротором с лопатками. Указанный узел содержит кольцевой гребешок, имеющий радиальную поверхность, выполненную с обеспечением согласования с кольцевым зубцом, и первую и вторую боковые поверхности, проходящие от ротора к указанной радиальной поверхности и расположенные напротив друг друга. Первая боковая поверхность по меньшей мере частично проходит по направлению ко второй боковой поверхности относительно оси вращения ротора.

Краткое описание чертежей

Эти и другие характерные особенности, аспекты и преимущества данного изобретения станут более понятными после прочтения приведенного ниже подробного описания со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых одинаковыми номерами позиций обозначены одинаковые детали и на которых:

Фиг.1 изображает схематическую блок-схему варианта выполнения энергосистемы комбинированного цикла, содержащей газовую турбину, паровую турбину и парогенератор-рекуператор, в которой могут использоваться уплотнительные узлы указанного типа;

Фиг.2 изображает разрез варианта выполнения паровой турбины, изображенной на Фиг.1;

Фиг.3 изображает разрез варианта выполнения одного из уплотнительных узлов, изображенных на Фиг.2;

Фиг.4 изображает разрез уплотнительного узла, изображенного на Фиг.3, поясняющий протекание текучей среды через уплотнительный узел;

Фиг.5 изображает разрез варианта выполнения одного из гребешков ротора в уплотнительном узле, который показан дугообразной линией 5-5 на Фиг.3;

Фиг.6 изображает разрез вариант выполнения гребешка ротора, в котором выполнена выемка, расположенная против потока;

Фиг.7 изображает разрез варианта выполнения гребешка ротора, в котором выполнена выемка, расположенная по потоку;

Фиг.8 изображает разрез варианта выполнения гребешка ротора с закругленными выемками, и

Фиг.9 изображает разрез варианта выполнения гребешка ротора с прямоугольными выемками.

Подробное описание изобретения

Ниже описаны некоторые конкретные варианты выполнения настоящего изобретения. Для краткости изложения описания в него могут быть включены не все характерные особенности практического воплощения указанных вариантов выполнения. Следует отметить, что для достижения конкретных задач, поставленных разработчиком, при внедрении любого такого практического воплощения (как и в любом инженерно-техническом или конструкторском проекте) должны быть выполнены конкретные решения, соответствующие разнообразным реализациям, например соблюдение системных и организационно-экономических ограничений, которые могут изменяться от одной реализации к другой. Более того, нужно отметить, что такие опытно-конструкторские разработки могут быть сложными и длительными, однако, при использовании преимущества данного изобретения специалистами в данной области техники, они представляли бы собой обычную процедуру конструирования, сборки и изготовления.

При упоминании элементов различных вариантов выполнения настоящего изобретения в единственном числе или со словом «указанный» имеется ввиду один или несколько этих элементов. Выражения «содержащий», «включающий» и «имеющий» носят охватывающий характер и предполагают существование дополнительных элементов, отличных от перечисленных.

Данное описание относится к лабиринтным уплотнительным узлам ротора, гребешки которого выполнены с выемками. Как правило, такие узлы содержат уплотнительное кольцо, которое окружает ротор, отделяя области высокого и низкого давления внутри вращательного механизма, такого как паровая турбина, газовая турбина, компрессор или генератор. Зубцы могут проходить радиально внутрь по направлению к ротору, располагаясь в согласовании с гребешками ротора, которые выступают из него в радиальном наружном направлении. Между зубцами и гребешками ротора могут быть образованы камеры, служащие для преобразования кинетической энергии текучей среды, протекающей через уплотнение, в энергию давления, тем самым, сводя к минимуму протечку текучей среды из областей высокого давления в области низкого давления. Гребешки ротора могут иметь одну или несколько выемок, предназначенных для увеличения размера камер, направления потока текучей среды и/или обеспечения рециркуляции. В частности, выемки могут улучшать распределение давлений, уменьшая давление на границе раздела между каждым зубцом и гребешком ротора. Например, выемки могут вызывать или увеличивать закручивание потока текучей среды. Таким образом, выемки могут уменьшать протечку и облегчать преобразование кинетической энергии в энергию давления. Однако ширина поверхности гребешка ротора, которая согласована с уплотнительными зубцами, может оставаться достаточной для того, чтобы гарантировать, что указанное место раздела между гребешками и уплотнительными зубцами сохранится даже во время осевого перемещения уплотнительных зубцов и/или гребешков ротора. Другими словами, пока выемка расположена рядом с местом раздела, последнее может оставаться неизменным.

Фиг.1 представляет собой схематическую блок-схему варианта выполнения энергосистемы 2 комбинированного цикла, в которой могут быть применены предложенные уплотнительные узлы. Система 2 может включать газовую турбину 4, паровую турбину 6 и систему 8 регенерации тепла отходящего пара (котел-утилизатор КУ). Внутри газовой турбины 4 может сгорать топливо, такое как синтетический газ, образуя энергию в ходе надстройки цикла или цикла Брайтона. Отработавший газ, выходящий из газовой турбины 4, может быть подан в КУ систему 8, образуя пар в ходе цикла дополнительной выработки электроэнергии с использованием сбрасываемого тепла или цикла Ренкина. В некоторых вариантах выполнения газовая турбина 4, паровая турбина 6 и КУ система 8 могут входить в состав электростанции комбинированного цикла с внутренней газификацией угля (IGCC-энергоустановки).

Как правило, горение топлива в газовой турбине 4 (например, газа или жидкого топлива) может приводить в действие первую нагрузку 14. Первая нагрузка 14 может представлять собой, к примеру, электрический генератор, предназначенный для производства электрической энергии. Газовая турбина 4 может включать турбину 16, топку или камеру сгорания 18 и компрессор 20. Отработавший газ, выходящий из газовой турбины 16, может подаваться в паровую турбину 22 (посредством системы 8) для приведения в действие второй нагрузки 24. Вторая нагрузка 24 тоже может представлять собой электрический генератор, предназначенный для производства электрической энергии. Вместе с тем, как первая, так и вторая нагрузки 14, 24 могут представлять собой нагрузки другого типа, которые могут приводиться в действие от газовой турбины 4 и паровой турбины 6. Кроме того, несмотря на то, что газовая турбина 4 и паровая турбина 6 могут приводить в действие отдельные нагрузки 14 и 24, которые изображены в проиллюстрированном варианте выполнения, указанные турбины также могут использоваться совместно, с целью приведения в действие единой нагрузки посредством единого вала. В проиллюстрированном варианте выполнения паровая турбина 6 может включать одну секцию 26 низкого давления (СНД), одну секцию 28 среднего давления (ССД) и одну секцию 30 высокого давления (СВД). Однако конкретная конфигурация паровой турбины 6, также как и газовой турбины 4, может соответствовать конкретной реализации и включать любую комбинацию секций.

Кроме того, система 2 включает КУ систему 8, предназначенную для использования тепла, поступающего от газовой турбины 4, для создания пара, необходимого для паровой турбины 6. В представленном варианте выполнения компоненты системы 8 изображены в упрощенном виде и не являются ограничивающими. Точнее, представленная система 8 изображена для пояснения общего принципа работы данных систем. Нагретый выхлопной газ 34, выходящий из газовой турбины 4, может быть передан в КУ систему 8 и использован для нагрева пара, применяемого для приведения в действие паровой турбины 6. Выхлоп из секции 26 низкого давления паровой турбины 6 может быть направлен в конденсатор 36. Конденсат, образующийся в конденсаторе 36, в свою очередь может быть направлен в секцию низкого давления КУ системы 8 с помощью конденсатного насоса 38.

Затем конденсат может протекать через экономайзер 40 низкого давления (ЭНД), который представляет собой устройство, предназначенное для нагрева питательной воды с использованием тепла отходящих газов, и которое может быть применено для нагрева конденсата. Из экономайзера 40 конденсат может быть направлен либо в испаритель 42 низкого давления (ИНД), либо по направлению к экономайзеру 44 среднего давления (ЭСД). Пар, выходящий из испарителя 42 низкого давления, может быть возвращен в секцию 26 низкого давления паровой турбины 6. Аналогично, конденсат, выходящий из экономайзера 44 среднего давления, может быть направлен либо в испаритель 46 среднего давления (ИСД), либо по направлению к экономайзеру 48 высокого давления (ЭВД). Кроме того, пар, выходящий из экономайзера 44 среднего давления, может быть подан в подогреватель топливного газа (не показан), в котором пар может нагревать топливный газ, используемый в камере 18 сгорания газовой турбины 4. Пар, выходящий из испарителя 46 среднего давления, может быть подан в секцию 28 среднего давления паровой турбины 6. И в этом случае, схемы соединений между экономайзерами, испарителями и паровой турбиной 6 могут меняться от реализации к реализации, поскольку представленный вариант выполнения иллюстрирует исключительно принцип работы системы регенерации тепла отходящего пара.

В конечном счете, конденсат, выходящий из экономайзера 48 высокого давления, может быть направлен в испаритель 50 высокого давления (ИВД). Пар, выходящий из испарителя 50 высокого давления, может быть направлен в первичный пароперегреватель 52 высокого давления и конечный пароперегреватель 54 высокого давления, в котором пар перегревается и в конечном итоге подается в секцию 30 высокого давления паровой турбины 6. В свою очередь выброс из секции 30 высокого давления паровой турбины 6 может быть направлен в секцию 28 среднего давления паровой турбины 6, а выброс из указанной секции 28 может быть направлен в секцию 26 низкого давления паровой турбины 6.

Между первичным пароперегревателем 52 высокого давления и конечным пароперегревателем 54 высокого давления может быть расположен промежуточный пароохладитель 56. Промежуточный пароохладитель 56 может обеспечить более жесткое регулирование температуры выхлопного пара, выходящего из конечного пароперегревателя 54 высокого давления. А именно, конфигурация промежуточного пароохладителя 56 может обеспечивать регулирование температуры пара, выходящего из конечного пароперегревателя 54 высокого давления, путем нагнетания более холодной питательной воды, впрыскиваемой в перегретый пар перед конечным пароперегревателем 54 высокого давления всякий раз, когда температура выхлопного пара, выходящего из конечного пароперегревателя 54, превысит заданное значение.

Кроме того, выхлоп из секции 30 высокого давления паровой турбины 6, может быть направлен в первичный подогреватель 58 и вторичный подогреватель 60, где он может быть подогрет до того, как будет направлен в секцию 28 среднего давления паровой турбины 6. Помимо этого, первичный и вторичный подогреватели 58 и 60 могут быть взаимосвязаны с промежуточным пароохладителем 62 для регулирования температуры выхлопного пара, выходящего из указанных подогревателей. Точнее, конфигурация промежуточного пароохладителя 62 может обеспечивать регулирование температуры пара, выходящего из вторичного подогревателя 60, путем нагнетания более холодной питательной воды, впрыскиваемой в перегретый пар перед указанным подогревателем всякий раз, когда температура выхлопного пара, выходящего из указанного подогревателя 60, превысит заданное значение.

В системах комбинированного цикла, таких как система 2, горячие выхлопные газы могут вытекать из газовой турбины 4, проходить через КУ систему 8 и использоваться для образования высокотемпературного пара, находящегося под высоким давлением. Затем пар, генерируемый системой 8, может проходить через паровую турбину 6, вырабатывая электроэнергию. Кроме того, генерируемый пар может быть применен и для любых других процессов, предполагающих использование перегретого пара. Энергетический цикл газовой турбины часто называют «надстройкой» цикла, тогда как энергетический цикл паровой турбины часто называют «циклом дополнительной выработки энергии с использованием сбрасываемого тепла». С помощью энергосистемы 2 комбинированного цикла можно повысить эффективности обоих циклов, комбинируя указанные оба цикла, как изображено на Фиг.1. В частности, тепло отработанных газов после цикла надстройки может быть уловлено и использовано для образования пара, используемого в цикле дополнительной выработки энергии с использованием сбрасываемого тепла. Разумеется, энергосистема 2 комбинированного цикла приведена исключительно в виде примера и не является ограничивающей. Гребешки ротора и уплотнения, описанные в данном документе, можно применять во вращательных механизмах, таких как газовая турбина 4 и паровая турбина 6, используемых в любой соответствующей области применения. В некоторых вариантах выполнения гребешки ротора и уплотнения могут применяться в турбине 16, компрессоре 20, паровой турбине 30 высокого давления, паровой турбине 28 среднего давления, паровой турбине 26 низкого давления и/или в составе КУ системы 2.

На Фиг.2 изображен вариант выполнения паровой турбины 6, которая включает секцию 30 высокого давления, секцию 28 среднего давления и секцию 26 низкого давления, изображенные на Фиг.1. Паровая турбина 6 включает впускное отверстие 64 паровой магистрали, в которое может поступать пар, например, из КУ системы 8, изображенной на Фиг.1. Пар может протекать сквозь ряд отстоящих в окружном направлении лопаток 66, установленных на валу 70, который вращается вокруг оси 72. Из секции 30 высокого давления пар может поступать в секцию 28 среднего давления и протекать сквозь другой ряд отстоящих в окружном направлении лопаток 73, установленных на валу 70. В некоторых вариантах выполнения, перед поступлением в секцию 28 среднего давления пар может быть подвергнут нагреванию.

Из секции 28 среднего давления пар может протекать в секцию 26 низкого давления через перепускную трубу 74 и входную камеру 76. Внутри секции 26 пар может протекать в противоположных осевых направлениях через ряд отстоящих в окружном направлении лопаток 78, установленных на валу 82, который вращается вокруг оси 72. Вал 82 может иметь фланцы 83, расположенные на аксиально противоположных концах и служащие для соединения вала 82 с валом 72 на одном конце и вала 82 с валом генератора (не показан) на другом конце.

В состав секции 30 высокого давления и секции 28 среднего давления могут входить уплотнительные блоки 84, минимизирующие протечку пара вокруг и/или между ступенями 66 и 78. Если говорить более конкретно, уплотнительные блоки 84 могут представлять собой отстоящие в осевом направлении стационарные оболочки, окружающие ось 72 вращения и включающие уплотнительные узлы 86, проходящие радиально внутрь в направлении оси 72 вращения. Узлы 86 могут включать зубцы, которые согласованы с гребешками ротора, выступающими из валов 70 и 82, создавая извилистый проход сквозь указанные уплотнения, тем самым, минимизируя протечки пара.

На Фиг.3 изображен вариант выполнения одного из уплотнительных узлов 86, расположенных внутри секции 28 среднего давления, изображенной на Фиг.2. Несмотря на то, что узел 86 изображен в контексте паровой турбины, описанные в данном документе уплотнительные узлы могут быть использованы в составе любого другого соответствующего вращательного механизма, такого как газовая турбина, компрессор, паровая турбина или генератор и тому подобного. Более того, такие уплотнительные узлы могут быть расположены между ступенями либо в непосредственной близости от впуска и/или выпуска ступеней.

Узел 86 включает уплотнительный кожух 84, который окружает вал 82. В узле 86 установлено уплотнительное кольцо 88, окружающее вал 82. Несмотря на то, что на чертеже изображено только одно уплотнительное кольцо 88, в некоторых вариантах выполнения между ступенями вращательного механизма может быть установлено несколько уплотнительных колец 88, отстоящих в осевом направлении (направление 89). Каждое уплотнительное кольцо 88 имеет кольцевой массив дугообразных уплотнительных сегментов 90, проходящих в радиальном направлении (направление 91) к валу 82 от уплотнительного кожуха 84. Каждый уплотнительный сегмент 90 имеет кольцевую уплотнительную поверхность 92, выполненную с кольцевыми уплотнительными зубцами 94, которые выступают в радиальном направлении (направление 91) к валу 82. Уплотнительные зубцы 94 могут быть совмещены и согласованы в пограничных местах 97 с кольцевыми гребешками 96 ротора, выступающими в радиальном наружном направлении (направление 91) из вала 82. Кроме того, уплотнительные зубцы 94 могут быть совмещены и согласованы в пограничных местах 99 с поверхностями 98 вала 82, расположенными между гребешками 96 ротора. Между зубцами 94, гребешками 96 и поверхностями 98 могут существовать небольшие зазоры, ограничивающие поток текучей среды, например, пара, через узел 86.

Гребешки 96 могут иметь в целом непрямоугольную форму (например, в целом треугольную форму), рассчитанную на то, чтобы увеличить размер камер 100, образованных уплотнительными зубцами 94 и гребешками 96. В некоторых вариантах выполнения увеличенный размер камер 100 может быть предназначен для преобразования большего количества кинетической энергии текучей среды, протекающей через узел 86, в энергию давления, тем самым, сводя к минимуму протечку текучей среды через указанное уплотнение 86. Более того, форма гребешков 96 может обеспечивать более эффективное распределение давлений перед и/или после каждого гребешка 96 и уплотнительного зубца 94. Например, форма гребешков 96 может способствовать направлению потока текучей среды или созданию его рециркуляции или закручивания (например, небольшие завихрения и/или большие вихри), тем самым, уменьшая поток, направленный к границе раздела между каждым гребешком 96 ротора и зубцом 94. Таким образом, поток текучей среды может устремляться в радиальном направлении (направление 91), вдоль и поперек границы раздела (например, параллельно зубцу 94), а не напрямую в осевом направлении (направление 89), против границы раздела и через нее (например, перпендикулярно зубцу 94).

На Фиг.4 изображен поток текучей среды через часть узла 86. Стрелки 102 и 104 могут в общих чертах обозначать поток текучей среды. Однако, в других вариантах выполнения форма потока, завихрения и/или вихри, возникающие в узле 86, могут отличаться. Стрелки 102 в целом обозначают поток текучей среды через зазоры, образованные между уплотнительными зубцами 94 и гребешками 96 ротора. Кинетическая энергия текучей среды может уменьшаться по мере протекания последней по каждому из зазоров. Треугольная форма гребешков 96 ротора может создавать завихрение, рециркуляцию и/или обратный поток 103 при контакте текучей среды с встречной поверхностью треугольных выемок гребешков 96 ротора. В некоторых вариантах выполнения обратный поток 103 может поворачиваться примерно на 45°-180°, протекая в противоположном направлении. Обратный поток 103 может способствовать уменьшению кинетической энергии текучей среды, протекающей сквозь узел 86. Кроме того, треугольная форма гребешков 96 ротора может создавать закрученный поток 104 с той стороны треугольных выемок гребешков 96, которая расположена ниже по потоку. В некоторых вариантах выполнения закрученный поток 104 может способствовать уменьшению кинетической энергии текучей среды, протекающей сквозь узел 86. Более того, треугольная форма гребешков 96 может увеличивать размер камер 100. В некоторых вариантах выполнения треугольные выемки могут минимизировать протечку текучей среды через уплотнительные узлы по меньшей мере на 5%-25% и во всех промежуточных диапазонах.

Фиг.5 представляет собой разрез одного из гребешков 96 ротора, изображенных на Фиг.4. Гребешок 96 имеет радиальную поверхность 106, которая расположена смежно с одним из уплотнительных зубцов 94. Осевой размер или ширина 108 радиальной поверхности 106, по существу, больше оконечного участка уплотнительного зубца 94. Ширина 108 может быть достаточной для того, чтобы гарантировать, что уплотнительный зубец 94 расположен напротив радиальной поверхности 106 гребешка 96, даже если в процессе работы вращательного механизма зубец 94 и/или гребешок 96 могут сместиться в осевом направлении (то есть относительно оси 72 вращения, изображенной на Фиг.2). Согласно некоторым вариантам выполнения ширина 108 может составлять примерно 1,3-12,7 мм (50-500 мил) и все промежуточные диапазоны. Между зубцом 94 и радиальной поверхностью 106 может быть образован зазор 110, уменьшающий вероятность трения и ограничивающий поток текучей среды между зубцом 94 и гребешком 96. В некоторых вариантах выполнения зазор 110 может составлять примерно 0,3-2,5 мм (10-100 мил), в частности составляет 1,3 мм (50 мил).

Кроме того, гребешок 96 может иметь противолежащие боковые поверхности 112, проходящие от радиальной поверхности 106 (например, в радиальном внутреннем направлении к оси 72, изображенной на Фиг.3). Противолежащие боковые поверхности 112 могут сходиться по направлению друг к другу, образуя второй осевой размер или ширину 114. Ширина 114 может быть расположена в радиальном месте, в целом образованном поверхностью 98, или выше него вокруг оси 72 (Фиг.2). Ширина 114 может быть в целом меньше ширины 108. Например, ширина 114 может быть по меньшей мере примерно на 1, 5, 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80 или 90% меньше ширины 108.

Противолежащие боковые поверхности 112 могут образовывать кольцевые выемки 116, в общем виде обозначенные пунктирными линиями 118. Каждая выемка 116 может иметь треугольную форму, которая обеспечивает дополнительный объем для каждой из камер 100. Главный размер или глубина 120 выемок 116 может простираться внутрь по направлению к осевому центру гребешка 96 ротора. Согласно некоторым вариантам выполнения глубина 120 может составлять по меньшей мере примерно 1, 5, 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45 или 50% от ширины 108 радиальной поверхности 106. В частности, глубина 120 может составлять по меньшей мере примерно 20% от ширины 108. Кроме того, гребешок 96 может проходить в радиальном наружном направлении от поверхности 98 на высоту 122. В некоторых вариантах выполнения высота 122 может составлять примерно 1,3-12,7 мм (50-500 мил).

Разумеется, относительные размеры 108, 110, 114 и 120, а также геометрия гребешков 96 приведены исключительно в качестве примера и не являются ограничивающими. К примеру, глубина 120 каждой из выемок 116 может отличаться друг от друга. В другом примере могут меняться относительные размеры ширины 108 и 114. Более того, выемка 116 может быть выполнена на одной или на обеих боковых поверхностях 112. Помимо этого, выемки 116 могут иметь другие геометрические параметры, например иметь форму шеврона, прямоугольника, квадрата, овала, круга, полукруга или серпа и тому подобную. С учетом этого, на Фиг.6-9 изображены другие варианты выполнения гребешков ротора, в которых применяются выемки различного типа. Тем не менее, можно использовать выемки любой соответствующей формы, выполненные на одной или на обеих боковых поверхностях 112 гребешков 96. Более того, на поверхностях 112 могут быть выполнены выемки одинакового или разного типа.

На Фиг.6 изображен гребешок 124 ротора, имеющий одну выемку 116, выполненную на его боковой поверхности 112, которая расположена против потока. Поверхность 112 проходит внутрь по направлению к осевому центру гребешка 124, образуя выемку 116, тогда как противоположная боковая поверхность 126 проходит в целом перпендикулярно радиальной поверхности 106, образуя сравнительно прямую боковую поверхность 126. Внутренний радиальный размер или ширина 128 может быть меньше ширины 108 радиальной поверхности 106.

На Фиг.7 изображен гребешок 130 ротора, имеющий одну выемку 116, выполненную на его боковой поверхности 112, которая расположена по потоку. Аналогично гребешку 124, изображенному на Фиг.6, выемка 116 может уменьшать внутренний радиальный размер или ширину 128, так что ширина 128 меньше ширины 108 радиальной поверхности 106. Однако в данном варианте выполнения выемка 116 может быть расположена по потоку, на боковой поверхности 112 гребешка ротора, тогда как противоположная прямая боковая поверхность 126 может быть расположена против потока, на поверхности 126.

На Фиг.8 изображен гребешок 131 ротора, имеющий криволинейные боковые поверхности 132, которые сужаются по направлению друг к другу, образуя полукруглые выемки 134 (например, вогнутые, с-образные или u-образные). Каждая выемка 134 может сужаться по направлению к осевому центру гребешка 131 ротора по главному размеру или глубине 136. Согласно некоторым вариантам выполнения глубина 136 может составлять по меньшей мере примерно 1, 5, 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45 или 50% от ширины 108 радиальной поверхности 106. В частности, глубина 136 может составлять по меньшей мере примерно 20% от ширины 108. Выемки 134 могут сходиться по направлению друг к другу, образуя второстепенный размер или ширину 137 гребешка 131. Ширина 137 может соответствовать радиальному месту, расположенному где-то между поверхностью 98 и радиальной поверхностью 106. В некоторых вариантах выполнения ширина 137 может быть примерно на 1, 5, 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80 или 90% меньше ширины 108. Более того, ширина 137 может быть меньше ширины 138 гребешка 131, расположенной примерно в том же радиальном месте, что и поверхность 98. Ширина 138 может быть, по существу, равна ширине 108, либо больше или меньше указанной ширины 108.

На Фиг.9 изображен гребешок 140 ротора, имеющий боковые поверхности 141, которые проходят навстречу друг другу в направлении осевого центра гребешка 140. В целом параллельные боковые поверхности 142 проходят, как правило, перпендикулярно боковым поверхностям 141, образуя прямоугольные выемки 144. Боковые поверхности 141 и 142 могут образовывать гребешок 140 ротора, имеющий Т-образную форму. Каждая выемка 144 может иметь глубину 146. Согласно некоторым вариантам выполнения глубина 146 может составлять по меньшей мере примерно 1, 5, 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45 или 50% от ширины 108 радиальной поверхности 106. В частности, глубина 146 может составлять по меньшей мере примерно 20% от ширины 108. Выемки 144 могут проходить навстречу друг другу, образуя второстепенный размер или ширину 148 гребешка 140. Ширина 148 может быть расположена в радиальном месте относительно оси 72 (Фиг.2), как правило, образованном поверхностью 98. Более того, ширина 148 может быть, в целом, меньше ширины 108. Например, ширина 146 может быть по меньшей мере примерно на 1, 5, 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80 или 90% меньше ширины 108.

Каждый из гребешков 96, 124, 130, 131 и 140 может быть предназначен для преобразования большего количества кинетической энергии текучей среды, протекающей через узел 86, в энергию давления, тем самым, минимизируя протечки и улучшая герметизацию. В частности, каждый из гребешков 96, 124, 130, 131 и 140 может иметь выемки 116, 134 и 144, предназначенные для увеличения размера камер 100 (Фиг.3). Кроме того, выемки 116, 134 и 144 могут улучшать распределение давлений перед и/или за каждым гребешком 96, 124, 130, 131 и 140 благодаря тому, что вызывают рециркуляцию текучей среды, закручивание и/или протекание ее в обратном направлении, что в свою очередь может уменьшать поток, направленный непосредственно к границе раздела между гребешками 96, 124, 130, 131 и 140 и зубцами 94.

Более того, относительные формы, размерности и размеры гребешков ротора могут отличаться. Например, криволинейная боковая поверхность 132 (Фиг.8) может быть расположена на одной стороне гребешка ротора, тогда как прямая боковая поверхность 126 (Фиг.7), скошенная боковая поверхность 112 (Фиг.5) или прямоугольная боковая поверхность 141 и 142 (Фиг.9) расположены на противоположной стороне гребешка ротора. Помимо этого, могут отличаться относительная высота, ширина и глубина гребешков ротора и/или выемок. Более того, указанная высота, ширина, глубина и/или зазоры между гребешками ротора и уплотнительными зубцами могут отличаться в зависимости от таких факторов, как, например, размер вращательного механизма. Можно использовать любую соответствующую геометрию и/или комбинацию выемок для выполнения гребешков ротора, имеющих углубленные участки, предназначенные для увеличения объема по меньшей мере одной из камер 100 (Фиг.3) и/или инициирования рециркуляции, закручивания и/или изменения направления потока текучей среды на обратное.

В данном описании для раскрытия сущности изобретения использованы примеры, включающие наиболее предпочтительные варианты, и, кроме того, позволяющие специалистам в данной области техники реализовать изобретение на практике, включая изготовление и использование любых устройств или установок и выполняя любые предусмотренные приемы. Объем правовой охраны изобретения ограничен формулой изобретения и может включать другие варианты, которые возникнут у специалистов в данной области техники. Данные другие варианты не должны выходить за рамки объема формулы изобретения, если они имеют конструктивные элементы, которые не отличаются от точной формулировки формулы изобретения, либо если они включают эквивалентные конструктивные элементы, имеющие несущественные отличия от точных формулировок формулы изобретения.

Список элементов

2 - система комбинированного цикла

4 - газовая турбина

6 - паровая турбина

8 - КУ система

14 - первая нагрузка

16 - турбина

18 - камера сгорания

20 - компрессор

24 - вторая нагрузка

26 - секция низкого давления

28 - секция среднего давления

30 - секция высокого давления

34 - отработавший газ

36 - конденсатор

38 - конденсатный насос

40 - экономайзер низкого давления

42 - испаритель низкого давления

44 - экономайзер среднего давления

46 - испаритель среднего давления

48 - экономайзер высокого давления

50 - испаритель высокого давления

52 - пароперегреватель высокого давления

54 - конечный пароперегреватель высокого давления

56 - промежуточный пароохладитель

58 - первичный подогреватель

60 - вторичный подогреватель

62 - промежуточный пароохладитель

64 - впускное отверстие паровой магистрали

66 - лопатки секции высокого давления

70 - вал секции высокого давления

72 - ось

73 - лопатки

74 - перепускная труба

76 - сопловая коробка

78 - лопатки

82 - вал секции среднего давления

83 - фланцы

84 - уплотнительные блоки

86 - уплотнительный узел

88 - уплотнительное кольцо

89 - осевое направление

90 - уплотнительные сегменты

91 - радиальное направление

92 - уплотнительная поверхность

94 - уплотнительные зубцы

96 - гребешки ротора

97 - места раздела

98 - поверхность

99 - места раздела

100 - камеры

102 - стрелки

103 - обратный поток

104 - закрученный поток

106 - радиальная поверхность

108 - ширина

110 - зазор

112 - боковые поверхности

114 - ширина

116 - выемки

118 - пунктирные линии

120 - глубина

122 - высота

124 - гребешок ротора

126 - боковая поверхность

128 - ширина

130 - гребешок ротора

131 - гребешок ротора

132 - боковые поверхности

134 - выемки

136 - глубина

138 - ширина

140 - гребешок ротора

142 - боковые поверхности

144 - выемки

146 - ширина

148 - глубина

Уплотнительный узел (86), расположенный между вращающимся компонентом (82) и неподвижным компонентом (84) вращательного механизма, содержит зубцы (94) и гребешки (96). Зубцы (94) расположены в первых осевых местах (89) на расстоянии друг от друга вдоль оси вращения вращающегося компонента (82). Гребешки (96) расположены в указанных первых осевых местах (89) с обеспечением осевого согласования с зубцами (94). Каждый из гребешков имеет поверхность (106), расположенную смежно с одним из уплотнительных зубцов, и первую и вторую противолежащие боковые поверхности (112), проходящие от указанной поверхности (106) в радиальном внутреннем направлении. На первой, на второй или на обеих боковых поверхностях (112) выполнена треугольная выемка (116). Достигается минимизация протечки текучей среды через уплотнение на 5-25% за счёт создаваемых треугольными выемками завихрений. 2 н. и 5 з.п. ф-лы, 9 ил.

1. Вращательный механизм (6, 16, 20), содержащий:
вращающийся компонент (70, 82);
неподвижный компонент (84);
уплотнительный узел (86), расположенный между вращающимся компонентом (70, 82) и неподвижным компонентом (84) вращательного механизма (6, 16, 20) и содержащий:
зубцы (94), расположенные в первых осевых местах (89) на расстоянии друг от друга вдоль оси вращения вращающегося компонента (70, 82), и
гребешки (96), которые расположены в указанных первых осевых местах (89) с обеспечением осевого согласования с зубцами (94) и каждый из которых имеет поверхность (106), расположенную смежно с одним из уплотнительных зубцов, и первую и вторую противолежащие боковые поверхности (112), проходящие от указанной поверхности (106) в радиальном внутреннем направлении, и имеют треугольную выемку (116), выполненную на первой, на второй или на обеих боковых поверхностях (112).

2. Вращательный механизм по п.1, в которой зубцы (94) и гребешки (96) выполнены в виде соответственно кольцевых зубцов и кольцевых гребешков, а выемки (116) выполнены в виде кольцевых выемок, проходящих в осевом направлении в гребешки (96).

3. Вращательный механизм по п.1, в котором указанные первая и вторая боковые поверхности (112) имеют противоположенные выемки (116), которые сужаются по направлению друг к другу.

4. Вращательный механизм по п.1, в котором выемка (116) расположена на первой боковой поверхности (112) гребешка (96) против потока текучей среды, проходящей в первом направлении (102) от первой боковой поверхности ко второй боковой поверхности, причем выемка (116) выполнена с обеспечением изменения направления протекания текучей среды с первого направления (102) на второе направление (103).

5. Вращательный механизм по п.1, в котором вращательный механизм (6, 16, 20) представляет паровую турбину (6), имеющую уплотнительный узел (86).

6. Ротор (70, 82), содержащий кольцевой гребешок (96), выполненный с обеспечением согласования с уплотнительным кольцом (88) в турбинном двигателе (6) и содержащий:
радиальный выступ (129, 130, 131, 140), отходящий от первого радиуса к радиальной поверхности (106), которая расположена на втором радиусе и выполнена с обеспечением согласования с указанным уплотнительным кольцом (88), и имеющий первый осевой размер (114, 128, 131, 148) между указанными первым и вторым радиусами, и второй осевой размер (108) на указанном втором радиусе, причем первый осевой размер (114, 128, 131, 148) по меньшей мере примерно на 20% меньше второго осевого размера (108).

7. Ротор по п.6, в котором радиальный выступ представляет собой в целом треугольный выступ (124, 130) или в целом Т-образный выступ (140).