ЛАБИРИНТНОЕ УПЛОТНЕНИЕ Российский патент 2015 года по МПК F16J15/447 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИЧЕСКОГО ПРИМЕНЕНИЯ

Настоящее изобретение относится к области тепловых машин с вращаемыми рабочими органами. Оно относится к лабиринтному уплотнению для уплотнения кольцевого пространства между неподвижной и вращаемой частями тепловой машины с вращаемыми рабочими органами, особенно - к паровой турбине или газовой турбине.

ПРЕДПОСЫЛКИ К СОЗДАНИЮ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Типичная известная взаимосопряженная лабиринтная уплотнительная система детально воспроизведена в существенно упрощенном виде на фиг.1. Лабиринтное уплотнение 24, показанное на фиг.1, используют для уплотнения кольцевого пространства 11 между (внутренней) вращаемой частью 12 и неподвижной частью 10, концентрически охватывающей первую, против утечки газов. Взаимосопряженное лабиринтное уплотнение 24 содержит как уплотнительные полосы 13, выступающие со стороны статора, которые прикреплены к неподвижной части 10, так и уплотнительные полосы 14, выступающие со стороны ротора, которые прикреплены к вращаемой части 12, где уплотнительные полосы расположены в шахматном порядке и сопряжены в радиальном направлении в пространствах между противоположными уплотнительными полосами в каждом случае.

Однако при использовании взаимосопряженного лабиринтного уплотнения согласно фиг.1 возникает проблема:

Большие смещения, вызываемые нагревом ротора и статора, приводят к большим различиям зазоров в лабиринтной уплотнительной системе, в результате чего уплотнительные полосы отклоняются от их центрального положения в установленном состоянии и во время устойчивого рабочего состояния не возвращаются или только частично возвращаются в это исходное положение. Так как уплотняющий эффект лабиринтного уплотнения в получающемся в результате смещенном положении может быть отрицательным, потери из-за утечки могут стать большими, что может оказывать отрицательное влияние на мощность и эффективность машины в устойчивом рабочем состоянии.

Из патента США US-A-5029876, например, известны различные конфигурации взаимосопряженных лабиринтных уплотнений, в которых ротор дополнительно разделен на секции со ступенчатым диаметром.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Лабиринтное уплотнение для уплотнения кольцевого пространства между неподвижной частью и вращаемой частью паровой турбины или газовой турбины содержит множество уплотнительных полос, расположенных последовательно в осевом направлении, которые прикреплены к неподвижной части и выступают в пространство, где уплотнительные полосы взаимодействуют, создавая уплотняющий эффект, с уплотнительными элементами, выступающими со стороны ротора, которые расположены в шахматном порядке.

Целью изобретения является создание лабиринтного уплотнения, с помощью которого исключают недостатки известных лабиринтных уплотнений, и оно особенно отличается обеспечением большей герметичности, достигаемой во время устойчивого рабочего состояния.

Цель достигают посредством использования всех признаков по п.1 формулы изобретения.

Один аспект изобретения заключается в создании лабиринтного уплотнения, включающего такую же взаимосопряженную систему, как и в случае обычных двухсторонних лабиринтных уплотнений, но в которой уплотнительные полосы в холодном установленном состоянии смещены относительно симметричного положения. Смещение имеет противоположное направление и ту же величину расстояния, на которое уплотнительная полоса смещается относительно смежных уплотнительных элементов, выступающих со стороны ротора, в результате теплового расширения неподвижной опорной структуры и вращаемых компонентов, при нагреве от холодного установленного состояния до горячего устойчивого рабочего состояния.

Смещение, таким образом, выбирают так, чтобы уплотнительные полосы во время устойчивого рабочего состояния перемещались в симметричное положение, т.е. расстояние от одной уплотнительной полосы до двух смежных уплотнительных элементов, выступающих со стороны ротора, в каждом случае становится одинаковым.

В одном варианте осуществления лабиринтное уплотнение выполняют аналогичным взаимосопряженным образом, как и в случае обычных двухсторонних лабиринтных уплотнений. Однако вместо отдельных уплотнительных полос, выступающих со стороны ротора, вставленных в ротор, теперь используют уплотнительные элементы, сформированные или выполненные непосредственно на вращаемой части. Структурированная периферическая поверхность вращаемой части таким образом является не только носителем, но сама составляет часть уплотнительной системы.

В несимметричном холодном установленном положении расстояние от уплотнительного элемента, выступающего со стороны ротора, до ближней уплотнительной полосы составляет 0,5 расстояния до отдаленной уплотнительной полосы.

В одном варианте осуществления в холодном установленном состоянии расстояние от уплотнительного элемента, выступающего со стороны ротора, до ближней уплотнительной полосы составляет от 0,2 до 0,8 расстояния до отдаленной уплотнительной полосы. В дополнительном варианте осуществления в холодном установленном состоянии расстояние от уплотнительного элемента, выступающего со стороны ротора, до ближней уплотнительной полосы составляет предпочтительно от 0,3 до 0,6 расстояния до отдаленной уплотнительной полосы.

Другой вариант осуществления лабиринтного уплотнения согласно изобретению отличается тем, что сформированные выступы между двумя смежными уплотнительными элементами, выступающими со стороны ротора, в каждом случае имеют по существу прямоугольное поперечное сечение и выступают в радиальном направлении в пространство.

Дополнительные благоприятные характеристики уплотнения приносят результат, если согласно развитию изобретения вращаемая часть имеет промежуточный контур с переменным диаметром в осевом направлении между смежными сформированными выступами и если изменение величины наружного диаметра вдоль промежуточного контура спроектировано таким образом, чтобы во время взаимодействия с соответствующей уплотнительной полосой неподвижной части обеспечивалась компенсация смещений, вызванных нагревом, между ротором и статором. Эффект, достигаемый в результате этого, заключается в том, что обеспечивается пассивное регулирование зазора непосредственно в виде результата, вызванного формой вращаемой части.

В этом случае особенно целесообразно, чтобы промежуточный контур в области соответствующей уплотнительной полосы содержал коническую часть, благодаря которой во время осевого относительного перемещения между ротором и статором изменяется зазор в уплотнении.

Также целесообразно, однако, чтобы промежуточный контур содержал ступень по диаметру в области соответствующей уплотнительной полосы.

Согласно одному варианту осуществления промежуточный контур сформированных выступов имеет в каждом случае такую максимальную высоту в средней части между двумя смежными уплотнительными элементами, выступающими со стороны ротора, чтобы во время устойчивого рабочего состояния уплотнительные полосы были расположены с противоположных сторон области, имеющей максимальную высоту в каждом случае, и чтобы свободный зазор между уплотнительными полосами и промежуточным контуром становился минимальным.

Вращаемыми частями лабиринтного уплотнения являются, например, сам ротор, лопатки ротора или теплозащитные экраны ротора. Ротор в области крышки вала, т.е. области между компрессором и турбиной, обычно выполнен с лабиринтным уплотнением, с помощью которого регулируют непосредственную утечку выходящего воздуха из компрессора к турбине. Лопатки и теплозащитные экраны обеспечены лабиринтными уплотнениями для уменьшения вторичных потоков. В частности, бандажи лопаток часто обеспечены уплотнительными элементами (уплотнительными полосами, лабиринтными уплотнениями, ребрами или перегородками), которые в установленном состоянии вместе со смежными частями образуют охватывающее лабиринтное уплотнение.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Изобретение далее пояснено более подробно со ссылками на приведенные в качестве примеров варианты осуществления в сочетании с чертежами. На чертежах изображено:

на фиг.1 - подробно в упрощенном виде двухстороннее взаимосопряженное лабиринтное уплотнение с выступающими со стороны статора и выступающими со стороны ротора вставленными уплотнительными полосами;

на фиг.2 - в виде, сопоставимом с фиг.1, первый приведенный в качестве примера вариант осуществления лабиринтного уплотнения согласно изобретению с асимметричным расположением уплотнительных полос;

на фиг.3 - в виде, сопоставимом с фиг.2, второй приведенный в качестве примера вариант осуществления лабиринтного уплотнения согласно изобретению с выступающими со стороны ротора сформированными выступами вместо уплотнительных полос;

на фиг.4 - в виде, сопоставимом с фиг.3, третий приведенный в качестве примера вариант осуществления лабиринтного уплотнения согласно изобретению с промежуточными контурами ротора, содержащими ступень по диаметру и коническую часть, расположенными между сформированными выступами, выступающими со стороны ротора.

СПОСОБЫ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

На фиг.2 показан в виде, сопоставимом с фиг.1, первый приведенный в качестве примера вариант осуществления лабиринтного уплотнения согласно изобретению. В противоположность уплотнению согласно фиг.1, в котором уплотнительные полосы 13, выступающие со стороны статора, расположены в каждом случае симметрично, посередине между двумя уплотнительными полосами, выступающими со стороны ротора, где уплотнительные полосы 13, выступающие со стороны статора, расположены асимметрично в каждом случае. Расстояние b от уплотнительной полосы 13′, выступающей со стороны статора, до следующей смежной уплотнительной полосы 14b, выступающей со стороны ротора справа, составляет часть (отношение b к a меньше 1) расстояния от уплотнительной полосы 13′, выступающей со стороны статора, до следующей смежной уплотнительной полосы 14a, выступающей со стороны ротора слева. На фиг.2 показано лабиринтное уплотнение 25 в холодном установленном состоянии. Также показано перемещение 28 уплотняющих краев уплотнительной полосы 13, выступающей со стороны статора, относительно вращаемой части 12. Показано также общее перемещение от холодного состояния в устойчивое рабочее состояние. Также показан получающийся в результате сдвиг 29 от холодного состояния в горячее состояние.

На фиг.3 показан в виде, сопоставимом с фиг.2, приведенный в качестве примера вариант осуществления лабиринтного уплотнения, содержащего выступающие со стороны ротора сформированные выступы 19, которые, как и уплотнительные полосы, взаимодействуют с уплотнительными полосами 13, выступающими со стороны статора, во взаимосопряженном порядке. Сформированные выступы 19 являются одинаковыми по отношению друг к другу и расположены на одинаковом расстоянии в осевом направлении относительно друг друга. Сформированные выступы имеют по существу прямоугольное поперечное сечение и выступают в радиальном направлении в пространство 11 между вращаемой частью 12 и неподвижной частью 10. Толщина (в осевом направлении) сформированных выступов 19 значительно больше толщины уплотнительных полос 13. Сформированные выступы 19 расположены между смежными уплотнительными полосами 13 в порядке, при котором они смещены от середины на величину отрицательного смещения 29. Переходы между сформированными выступами 19 и промежуточные контуры 21 между ними скруглены для минимизации эффекта надреза. Промежуточные контуры 21 имеют слегка вогнутую форму и самая низкая их точка находится в средней части промежуточного контура 21. Как результат небольшой фигурности промежуточных контуров 21 обеспечивается сравнительно небольшое изменение зазора в полученном лабиринтном уплотнении 27, если вращаемая часть 12 и неподвижная часть 10 перемещаются относительно друг друга в осевом направлении. Также показан получающийся в результате сдвиг 29 от холодного состояния в горячее состояние, благодаря чему становится понятным, что уплотнительные полосы 13 перемещаются в положение в средней части между сформированными выступами 19 во время устойчивого рабочего состояния.

Эта ситуация отличается в случае приведенного в качестве примера варианта осуществления, показанного на фиг.4. На фиг.4 показан в виде, сопоставимом с фиг.3, дополнительный приведенный в качестве примера вариант осуществления лабиринтного уплотнения согласно изобретению с промежуточными контурами 21 (расположенными между сформированными выступами 19, выступающими со стороны ротора 12), которые существенно более конструктивно выражены и содержат как ступень 21a с резко выполненным диаметром, так и коническую часть 21b, которые отделены друг от друга участком с полого изменяющимся диаметром. В результате этого особые изменения зазора в лабиринтном уплотнении 27 могут быть достигнуты в случае теплового расширения. В частности, уплотнительные полосы 13 во время устойчивого рабочего состояния таким образом приходят в положение, напротив промежуточного контура 21 после смещения 29 в результате сдвига от холодного состояния в горячее состояние, при котором потери становятся минимальными.

В общем создано изобретение - лабиринтное уплотнение - для использования в газовых турбинах или паровых турбинах, обеспечивающее повышенную герметичность во время устойчивого рабочего состояния, в котором простым способом обеспечивается возможность пассивного регулирования зазора.

ПЕРЕЧЕНЬ ОБОЗНАЧЕНИЙ

10 - Неподвижная часть

11 - Пространство

12 - Вращаемая часть

13, 13′ - Уплотнительная полоса (выступающая со стороны статора)

14, 14a, 14b - Уплотнительная полоса (выступающая со стороны ротора)

19 - Сформированный выступ (на роторе)

21 - Промежуточный контур

21a - Ступень с резко выполненным диаметром

21b - Коническая часть

24-27 - Лабиринтное уплотнение

28 - Перемещение края уплотнения

29 - Сдвиг от холодного состояния в горячее состояние

Изобретение относится к уплотнительной технике. Лабиринтное уплотнение для уплотнения кольцевого пространства между ротором и статором паровой турбины или газовой турбины содержит множество уплотнительных полос, расположенных последовательно в осевом направлении, прикрепленных к статору и выступающих в пространство, где уплотнительные полосы взаимодействуют, обеспечивая уплотнительный эффект, с уплотнительными элементами, выступающими со стороны ротора, расположенными в шахматном порядке. При использовании такого лабиринтного уплотнения достигается повышенный уплотнительный эффект посредством уплотнительных полос, установленных в холодном состоянии, смещенных относительно симметричного положения, где смещение имеет противоположное направление и ту же величину расстояния, на которое уплотнительная полоса смещается относительно смежных уплотнительных элементов, выступающих со стороны ротора, в результате теплового расширения неподвижных и вращаемых компонентов и опорной структуры при нагреве от холодного установленного состояния до горячего устойчивого рабочего состояния. 5 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Лабиринтное уплотнение (25, ..., 27) для уплотнения кольцевого пространства (11) между неподвижной частью (10) и вращаемой частью (12) паровой турбины или газовой турбины, содержащее множество уплотнительных полос (13), расположенных последовательно в осевом направлении, прикрепленных к неподвижной части (10) и выступающих в пространство (11), где уплотнительные полосы взаимодействуют, обеспечивая уплотнительный эффект, с уплотнительными элементами (14, 19), выступающими со стороны ротора, расположенными в шахматном порядке, отличающееся тем, что уплотнительные полосы (13) в холодном установленном состоянии смещены относительно симметричного положения, где смещение имеет противоположное направление и ту же величину расстояния (29), на которое уплотнительная полоса (13) смещается относительно смежных уплотнительных элементов (14, 19), выступающих со стороны ротора, в результате теплового расширения неподвижной опорной структуры и вращаемых компонентов при нагреве от холодного установленного состояния до горячего устойчивого рабочего состояния.

2. Лабиринтное уплотнение по п. 1, отличающееся тем, что в холодном установленном состоянии расстояние (b) от уплотнительных элементов (14, 19), выступающих со стороны ротора, до ближайшей уплотнительной полосы неподвижной части (12) составляет от 0,2 до 0,8 расстояния (а) до отдаленной уплотнительной полосы.

3. Лабиринтное уплотнение по п. 1, отличающееся тем, что уплотнительные элементы, выступающие со стороны ротора, сформированы как кольцевые выступы (19) вращаемой части (12).

4. Лабиринтное уплотнение по по любому из пп. 1-3, отличающееся тем, что сформированные выступы между двумя смежными уплотнительными элементами (19), выступающими со стороны ротора, в каждом случае имеют по существу прямоугольное поперечное сечение и выступают в радиальном направлении в пространство (11).

5. Лабиринтное уплотнение по любому из пп. 1-3, отличающееся тем, что сформированные выступы между двумя смежными уплотнительными элементами (14, 19), выступающими со стороны ротора, в каждом случае имеют промежуточный контур (21) с переменным диаметром в осевом направлении, и тем, что изменение величины наружного диаметра вдоль промежуточного контура (21) спроектировано таким образом, чтобы во время взаимодействия с соответствующей уплотнительной полосой (13) неподвижной части (10) обеспечивалась компенсация смещений, вызванных нагревом, между вращаемой частью (12) и неподвижной частью (10).

6. Лабиринтное уплотнение по п. 5, отличающееся тем, что промежуточный контур сформированных выступов имеет такую максимальную высоту в средней части между двумя смежными уплотнительными элементами (14, 19), выступающими со стороны ротора, в каждом случае, чтобы во время устойчивого рабочего состояния уплотнительные полосы (13) располагались в каждом случае напротив этой области, имеющей максимальную высоту, а свободный зазор между уплотнительными полосами (13) и промежуточным контуром становился минимальным.