УПЛОТНИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО (ВАРИАНТЫ) И РОТАЦИОННАЯ УСТАНОВКА Российский патент 2016 года по МПК F16J15/00 F01D11/02 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

[0101] Данное изобретение относится в целом к ротационным установкам и, более конкретно, к уплотнительному устройству, предназначенному для использования между компонентами ротационной установки и содержащему сегмент с соединениями взамок, обеспечивающими ограничение осевой и радиальной протечки.

ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0102] В ротационных установках, таких как паровая турбина, может использоваться уплотнительное устройство для создания уплотнения между двумя неподвижными компонентами и/или между неподвижными и вращающимися компонентами с обеспечением ограничения протечки (WO 2001076348). Такое уплотнительное устройство может содержать ряд дугообразных уплотнительных сегментов, расположенных смежно друг с другом. Уплотнительные сегменты могут быть расположены в кольцевой канавке одного из компонентов. Каждый уплотнительный сегмент дополнительно может иметь уплотнительную поверхность, расположенную напротив другого компонента. Уплотняющий эффект может быть достигнут путем создания относительно малых зазоров между уплотнительной поверхностью сегментов и расположенными напротив компонентами. Возможны другие типы конструкций и компонентов уплотнительного устройства.

[0103] Во время работы ротационной установки и, более конкретно, во время запуска, отключения и/или других переходных режимов компоненты уплотнительного устройства могут испытывать различные степени теплового расширения. Указанные степени расширения могут влиять на промежуток между уплотнительными сегментами при расширении и сжатии компонентов, что может привести к возникновению протечки между ними. Например, протечка через межсегментный зазор может быть основной причиной протечки во многих уплотнениях с «нулевой протечкой», которые могут использоваться около местоположений первых сопел и т.п. во многих паровых турбинах. Протечка через межсегментный зазор представляет собой существенную проблему при использовании уменьшенных радиальных зазоров. Таким образом, сведение к минимуму протечки между зазорами уплотнительных сегментов может повысить общую производительность и эффективность ротационной установки,

[0104] Сегментированные уплотнения, предназначенные для использования между первым компонентом и вторым компонентом ротационной установки, обычно выполнены со стыковыми зазорами между сегментами, так что предотвращается их выход за границы дуги и открытие радиального зазора у уплотнительной поверхности с возникновением протечки через него. В уплотнениях с зазорами протечка через стыковой зазор относительно мала, однако она может существенно увеличиться при уменьшении зазора между уплотнительными зубцами, как, например, в случае уплотнения с «нулевым зазором», в котором уплотнительные зубцы находятся в контакте с сопряженными с ними поверхностями вследствие относительно медленного перемещения между ними. Поскольку протечка через уплотнительные зубцы становится весьма малой, то основной причиной протечки является протечка через стыковой зазор.

[0105] Таким образом, существует необходимость в усовершенствованном уплотнительном устройстве, которое может ограничить протечку между его сегментами, а также соответствующим образом адаптируется к различным тепловым режимам. Такое усовершенствованное уплотнительное устройство также обеспечит повышение общей производительности и эффективности установки при использовании недорогих и надежных компонентов.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0106] Таким образом, в данном изобретении предложено уплотнительное устройство, предназначенное для использования между первым компонентом и вторым компонентом ротационной установки. Уплотнительное устройство может содержать первый уплотнительный сегмент, имеющий первый конец с первой наклонной поверхностью, и второй уплотнительный сегмент, имеющий второй конец со второй наклонной поверхностью. Первая наклонная поверхность первого конца первого уплотнительного сегмента входит в контакт со второй наклонной поверхностью второго конца второго уплотнительного сегмента в области соединения, проходящего от радиальной точки уплотнения к осевой точке уплотнения.

[0107] В данном изобретении также предложено уплотнительное устройство, предназначенное для использования между первым компонентом и вторым компонентом ротационной установки. Уплотнительное устройство может содержать первый уплотнительный сегмент, имеющий первый конец с первой наклонной поверхностью и охватывающим элементом, и второй уплотнительный сегмент, имеющий второй конец со второй наклонной поверхностью и охватываемым элементом. Первая наклонная поверхность и охватывающий элемент первого конца первого уплотнительного сегмента входят в контакт со второй наклонной поверхностью и охватываемым элементом второго конца второго уплотнительного сегмента в области соединения, проходящего от радиальной точки уплотнения к осевой точке уплотнения.

[0108] В данном изобретении также предложена ротационная установка. Ротационная установка может содержать первый компонент, второй компонент и уплотнительное устройство, расположенное между первым компонентом и вторым компонентом. Уплотнительное устройство может содержать первый уплотнительный сегмент с первой наклонной поверхностью и второй уплотнительный сегмент со второй наклонной поверхностью, так что первая наклонная поверхность первого уплотнительного сегмента входит в контакт со второй наклонной поверхностью второго уплотнительного сегмента в области соединения.

[0109] Эти и другие особенности и усовершенствования данного изобретения станут очевидны специалисту после прочтения нижеследующего подробного описания при его рассмотрении совместно с несколькими чертежами и прилагаемой формулой изобретения.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

[0110] Фиг.1 изображает разрез части ротационной установки с известным уплотнительным устройством.

[0111] Фиг.2 изображает разрез части ротационной установки с уплотнительным устройством, описанным в данном документе.

[0112] Фиг.3 изображает вид в аксонометрии пары сопряженных поверхностей сегмента уплотнительного устройства.

[0113] Фиг.4 изображает вид сбоку альтернативного варианта выполнения уплотнительного устройства, описанного в данном документе.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0114] В соответствии с чертежами, на которых одинаковые номера позиций на различных видах обозначают одинаковые элементы, фиг.1 изображает разрез части ротационной установки 10, например паровой турбины. В целом, установка 10 может содержать первый неподвижный компонент 15 и второй неподвижный компонент 20, расположенные смежно друг с другом, как показано на чертеже. Для уменьшения протечки между первым компонентом 15 и вторым компонентом 20 на границе 30 между компонентами может быть выполнено уплотнительное устройство 25. Граница 30 может разделять область 35 высокого давления и область 40 низкого давления.

[0115] Уплотнительное устройство 25 может быть образовано кольцевым рядом дугообразных уплотнительных сегментов 45. Каждый сегмент 45 может иметь уплотнительную поверхность 50 с выступающими уплотнительными зубцами 55. Уплотнительные зубцы 55 взаимодействуют с сопрягаемой поверхностью 22 второго компонента 20 с образованием точек уплотнения в радиальном направлении. Боковая поверхность 52 уплотнения может быть продвинута нагрузкой от давления до достижения контакта с сопрягаемой поверхностью 85 первого неподвижного компонента 15 с образованием другой точки уплотнения в осевом направлении. Уплотнительные зубцы 55 действуют в качестве частичных барьеров для текучей среды, например пара, проходящей от области 35 высокого давления к области 40 низкого давления, а контактирующие поверхности 52, 85 препятствуют возникновению какой бы то ни было протечки в радиальном направлении. В данном случае может использоваться любое количество уплотнительных сегментов 45. Кроме того, возможно использование других конфигураций и компонентов уплотнительного устройства.

[0116] Радиально наружная часть уплотнительных сегментов 45 может иметь пару установочных выступов 60. Выступы 60 могут проходить от сегмента 45 в противоположном по оси направлении друг от друга. Между уплотнительной поверхностью 50 и выступами 60 может проходить уменьшенная в осевом направлении шейка 65. Уплотнительные сегменты 45 могут быть расположены в кольцевой канавке, имеющей по существу Т-образное поперечное сечение и выполненной в первом неподвижного компоненте 15. Кольцевая канавка 70 может быть ограничена вдоль самой внутренней в радиальном направлении части компонента 15 парой установочных крюков 75 указанного компонента. Установочные крюки 75 могут проходить навстречу друг другу в осевом направлении с образованием между ними щели 80. Уплотнительные сегменты 45 могут быть расположены так, что шейка 65 установлена в щели 80 неподвижного компонента с возможностью перемещения в нем.

[0117] Описанное уплотнительное устройство 25 может использоваться с различными компонентами ротационной установки 10. Несмотря на то что в данном документе приведено описание двух неподвижных компонентов 15, 20, следует понимать, что устройство 25 также может быть расположено между неподвижным и вращающимся компонентом, например между диафрагмой турбины и валом. В данном случае могут использоваться компоненты других типов. Более того, радиальное положение компонентов 15, 20 может быть изменено зеркальным образом с получением обращенного в наружном направлении уплотнения и сопрягаемой поверхности уплотнения, расположенной у наружной стороны устройства 25. Кроме того, указанные два компонента 15, 20 также могут быть повернуты с обращением их друг к другу в осевом направлении.

[0118] При отсутствии стыкового зазора уплотнительное устройство 25 может отделять область 35 высокого давления от области 40 низкого давления. Однако при относительном сжатии компонента 20 (или относительном расширении устройства 25) вследствие тепловых и/или механических воздействий уплотнительные сегменты 45 могут выйти за границы дуги и открыть зазор зубца уплотнения между уплотнительной поверхностью 50 и сопрягаемой поверхностью 22 на компоненте 20, что приводит к существенному увеличению протечки.

[0119] На фиг.2 изображены части ротационной установки 100, описанной в данном документе. Как и в вышеописанном случае, установка 100 может содержать первый компонент 110 и второй компонент 120. Аналогично вышеописанному случаю, компоненты 110, 120 могут быть неподвижными и/или вращающимися. Ротационная установка 100 может содержать уплотнительное устройство 130, расположенное на границе 140 между компонентами 110, 120. Уплотнительное устройство 130 может содержать дугообразные уплотнительные сегменты 150, каждый из которых может содержать уплотнительную поверхность 160 с расположенными на ней уплотнительными зубцами 170. Возможно использование любого количества уплотнительных зубцов 170. Аналогичным образом, каждый сегмент 150 может иметь пару установочных выступов 180 и уменьшенную в осевом направлении шейку 190. Уплотнительные сегменты могут быть расположены в кольцевой канавке 200, выполненной в первом компоненте 110. Кольцевая канавка 200 может иметь в по существу Т-образное поперечное сечение. Кольцевая канавка 200 может быть ограничена парой установочных крюков 210 первого компонента, между которыми образована щель 220. В данном случае возможно использование других типов конфигураций и компонентов уплотнительных устройств.

[0120] Каждый уплотнительный сегмент 150 может иметь первый конец 230 и второй конец 240, как показано на сриг.3. Первый уплотнительный сегмент 250 и второй уплотнительный сегмент 260 могут входить в контакт в области соединения 270. В данном случае может использоваться любое количество уплотнительных сегментов 250. Первый конец 230 первого сегмента 250 может быть совмещен со вторым концом 240 второго сегмента 260 вдоль соединения 270. (Указание на первый конец 230 и второй конец 240 уплотнительных сегментов 250 приведено только для определения их относительного расположения, при этом любой конец может быть первым или вторым концом.)

[0121] Как показано на фиг.3, первый конец 230 первого сегмента 250 может иметь первую наклонную поверхность 280, тогда как второй конец 240 второго сегмента 260 может иметь вторую наклонную поверхность 290. Первая наклонная поверхность 280 и вторая наклонная поверхность 290 накладываются друг на друга с образованием соединения 270 между сегментом 250 и сегментом 260. Первая наклонная поверхность 280 может представлять собой охватывающий элемент 285, а вторая наклонная поверхность 290 может представлять собой охватываемый элемент 295 (или наоборот).

[0122] Стыковой зазор между концами 230 и 240 обеспечивает возможность скольжения сегментов 250, 260 относительно друг друга вдоль соединения 270 без выхода за границы дуги. Поскольку линия пересечения в соединении 270 начинается от радиальной точки 300 уплотнения, в которой оба сегмента 250, 260 соединены в виде объединенного зубца и взаимодействуют с сопрягаемой поверхностью 122, и заканчивается у осевой точки 310 уплотнения, в которой оба сегмента 250, 260 входят в контакт с другой сопрягаемой поверхностью 385, то, следовательно, область стыкового зазора между концами 230, 240 полностью отделена от расположенной ниже по потоку области стыкового зазора между элементами 285, 295. Таким образом, промежуток между концами сегментов разделен на две области, при этом между указанными двумя областями отсутствует открытое соединение, так что стыковой зазор уплотнен. Наклонные поверхности 280, 290 могут иметь накладывающиеся или комплементарные конфигурации различных типов при условии, что они закрывают промежуток между радиальной точкой 300 уплотнения и осевой точкой 310 уплотнения. Поверхности 280, 290 могут иметь любые дополняющие друг друга углы наклона. Аналогичным образом, охватывающий элемент 285 и охватываемый элемент 295 могут иметь любую комплементарную форму, глубину или другую конфигурацию.

[0123] Таким образом, описанное уплотнительное устройство 130 препятствует протечке через зазор как в радиальном, так и в осевом направлении. Важным является то, что уплотнительное устройство 130 не требует наличия дополнительных компонентов или дополнительной конструкции для предотвращения такой протечки. Точнее, первая наклонная поверхность 280 первого конца 230 первого уплотнительного сегмента 250 совмещена со второй наклонной поверхностью 290 второго конца 240 второго уплотнительного сегмента 260 с образованием по существу непроницаемого или герметизированного соединения 270. Таким образом, уплотнительное устройство 130 может повысить общую производительность ротационной установки 100, может иметь относительно низкую стоимость и может быть легко смонтировано и введено в эксплуатацию. Кроме того, уплотнительное устройство 130 может не требовать трудоемкого текущего технического обслуживания.

[0124] На фиг.4 изображен другой вариант выполнения предложенного уплотнительного устройства 320. В данном варианте выполнения устройство 320 также может содержать ряд дугообразных уплотнительных сегментов 330 с первым уплотнительным сегментом 340 и вторым уплотнительным сегментом 350. Каждый из сегментов 340, 350 может иметь, как описано выше, первый конец 360 и второй конец 370, которые входят в контакт в области соединения 380. Один из концов 360, 370 может содержать щеточное уплотнение 390. Щеточное уплотнение 390 может проходить от одного из концов 360, 370 по длине сегмента 330 и заканчиваться перед другим концом 360, 370. Конец 370 на одном из смежных сегментов также может иметь заглубленный участок 400 для размещения конца щеточного уплотнения, который наклонен относительно периферии и может выступать по всей поверхности соединения сегментов. В данном случае возможно использование других конфигураций.

[0125] Должно быть очевидно, что вышеизложенное относится только к конкретным вариантам выполнения данного изобретения и что специалистом в данной области техники могут быть выполнены различные изменения и модификации изобретения без отклонения от его сущности и объема, определенных нижеследующими пунктами формулы изобретения и их эквивалентами.

Группа изобретений относится к уплотнительным устройствам, предназначенным для использования между первым компонентом и вторым компонентом ротационной установки. Уплотнительное устройство содержит первый уплотнительный сегмент, имеющий первый конец с первой наклонной поверхностью, и второй уплотнительный сегмент, имеющий второй конец со второй наклонной поверхностью. Первая наклонная поверхность первого конца первого уплотнительного сегмента входит в контакт со второй наклонной поверхностью второго конца второго уплотнительного сегмента в области соединения. Изобретение повышает надежность уплотнения устройства. 3 н. и 17 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Уплотнительное устройство, предназначенное для использования между первым компонентом и вторым компонентом ротационной установки и содержащее
первый уплотнительный сегмент, имеющий первый конец с первой наклонной поверхностью, и
второй уплотнительный сегмент, имеющий второй конец со второй наклонной поверхностью,
причем первая наклонная поверхность первого конца первого уплотнительного сегмента входит в контакт со второй наклонной поверхностью второго конца второго уплотнительного сегмента в области соединения, проходящего от радиальной точки уплотнения к осевой точке уплотнения.

2. Уплотнительное устройство по п.1, в котором первый уплотнительный сегмент имеет второй конец со второй наклонной поверхностью.

3. Уплотнительное устройство по п.1, в котором второй уплотнительный сегмент имеет первый конец с первой наклонной поверхностью.

4. Уплотнительное устройство по п.1, в котором первая наклонная поверхность первого конца первого уплотнительного сегмента содержит охватывающий элемент, а вторая наклонная поверхность второго конца второго уплотнительного сегмента содержит охватываемый элемент.

5. Уплотнительное устройство по п.1, содержащее несколько уплотнительных сегментов.

6. Уплотнительное устройство по п.5, в котором указанные несколько уплотнительных сегментов имеют уплотнительную поверхность с уплотнительными зубцами.

7. Уплотнительное устройство по п.5, в котором указанные несколько уплотнительных сегментов имеют пару установочных выступов и шейку.

8. Уплотнительное устройство по п.5, в котором указанные несколько уплотнительных сегментов содержат расположенное на них щеточное уплотнение.

9. Уплотнительное устройство по п.1, в котором первая наклонная поверхность и вторая наклонная поверхность проходят вдоль зубца, разделенного между первым уплотнительным сегментом и вторым уплотнительным сегментом.

10. Уплотнительное устройство по п.1, в котором указанное соединение проходит от стороны высокого давления к стороне низкого давления первого уплотнительного сегмента и второго уплотнительного сегмента.

11. Уплотнительное устройство, предназначенное для использования между первым компонентом и вторым компонентом ротационной установки и содержащее
первый уплотнительный сегмент, имеющий первый конец с первой наклонной поверхностью и охватывающим элементом,
второй уплотнительный сегмент, имеющий второй конец со второй наклонной поверхностью и охватываемым элементом,
причем первая наклонная поверхность и охватывающий элемент первого конца первого уплотнительного сегмента входят в контакт со второй наклонной поверхностью и охватываемым элементом второго конца второго уплотнительного сегмента в области соединения, проходящего от радиальной точки уплотнения к осевой точке уплотнения.

12. Уплотнительное устройство по п.11, в котором первый уплотнительный сегмент имеет второй конец, вторую наклонную поверхность и охватываемый элемент.

13. Уплотнительное устройство по п.11, в котором второй уплотнительный сегмент имеет первый конец, первую наклонную поверхность и охватывающий элемент.

14. Уплотнительное устройство по п.11, содержащее несколько уплотнительных сегментов.

15. Уплотнительное устройство по п.14, в котором указанные несколько уплотнительных сегментов имеют уплотнительную поверхность с уплотнительными зубцами.

16. Уплотнительное устройство по п.14, в котором указанные несколько уплотнительных сегментов имеют пару установочных выступов и шейку.

17. Уплотнительное устройство по п.14, в котором указанные несколько уплотнительных сегментов содержат расположенное на них щеточное уплотнение.

18. Уплотнительное устройство по п.11, в котором первая наклонная поверхность и вторая наклонная поверхность проходят вдоль зубца, разделенного между первым уплотнительным сегментом и вторым уплотнительным сегментом.

19. Уплотнительное устройство по п.11, в котором указанное соединение проходит от стороны высокого давления к стороне низкого давления первого уплотнительного сегмента и второго уплотнительного сегмента.

20. Ротационная установка, содержащая
первый компонент,
второй компонент и
уплотнительное устройство, расположенное между первым компонентом и вторым компонентом,
причем уплотнительное устройство содержит первый уплотнительный сегмент с первой наклонной поверхностью и второй уплотнительный сегмент со второй наклонной поверхностью, так что первая наклонная поверхность первого уплотнительного сегмента входит в контакт со второй наклонной поверхностью второго уплотнительного сегмента в области соединения.