ИСТИРАЕМОЕ УПЛОТНЕНИЕ ДЛЯ ВНУТРЕННЕГО КОЖУХА СТАТОРА Российский патент 2016 года по МПК F01D11/02 F01D11/12 

Область техники

Изобретение относится к статору компрессора или турбины для турбомашин наземного, морского или авиационного применения. Более конкретно, оно относится к истираемому герметичному уплотнению статора.

Уровень техники

Осевые компрессоры турбомашин имеют несколько ступеней вращающихся лопаток, называемых также «роторными лопатками». Эти ступени разделены выравнивающими ступенями, назначение которых заключается в изменении вектора скорости текучей среды, поступающей с предыдущей ступени, перед тем как она будет направлена в следующую ступень, а также в замедлении протекания текучей среды, что ведет к повышению ее давления.

Указанные выравнивающие ступени, или статоры, образованы по существу неподвижными лопатками, называемыми также «статорными лопатками», которые соединяют внешний кожух с внутренним кожухом, причем эти два кожуха расположены концентрично и ограничивают между собой зону протекания воздуха или, говоря другими словами, «аэродинамический канал». Ступени роторных лопаток присоединены к барабану, при этом на внутреннем кожухе статора имеется истираемое уплотнение, обеспечивающее герметичность полости, ограниченной между статором и барабаном. Указанное истираемое уплотнение расположено снизу внутреннего кожуха, напротив герметизирующих элементов, предусмотренных на барабане или роторе. На фиг.1 представлен фрагмент поперечного сечения турбомашины, где можно видеть роторные лопатки 1, статорные лопатки 2, внутренние 3 и внешние 4 кожухи статора, барабан 5, герметизирующие элементы 6 ротора и истираемые уплотнения 7 внутренних кожухов.

Система из герметизирующих элементов/истираемых уплотнений образует лабиринт, функция которого заключается в уменьшении расхода потока под статором благодаря перепаду напора между соответствующими нижней по потоку и верхней по потоку частями каждой статорной ступени, что в конечном счете позволяет повысить кпд компрессора.

Используемые в настоящее время истираемые уплотнения, размещаемые под опорой статора, имеют осесимметричную форму (в некоторых случаях ступенчатую, как показано на фиг. 2) и обеспечивают снижение напора за счет образования препятствия (осевая ступенька 8) для осевой составляющей (т.е. вдоль оси турбомашины) просачивающегося потока. Однако этот поток вследствие вращения роторных лопаток имеет также и существенную окружную составляющую, для которой истираемые уплотнения применяемых в настоящее время форм препятствий не создают.

Задача изобретения

Задача изобретения заключается в разработке нового семейства истираемых уплотнений, имеющих неосесимметричную форму, которая обеспечивает более значительную потерю напора, что способствует повышению герметизации.

Сущность изобретения

Предметом изобретения является герметичное уплотнение статора турбомашины, имеющее первую истираемую поверхность, расположенную напротив роторной части турбомашины, и вторую поверхность, находящуюся в соприкосновении с внутренним кожухом статора, причем указанное уплотнение включает в себя группу секций, каждая из которых имеет на своей первой истираемой поверхности окружную ступеньку, образующую препятствие в окружном направлении внутреннего кожуха.

В соответствии с частными вариантами изобретения, предложенное уплотнение характеризуется по меньшей мере одним из перечисленных ниже признаков или их приемлемой комбинацией:

- каждая секция также содержит, на своей первой истираемой поверхности, осевую ступеньку, образующую препятствие в осевом направлении турбомашины;

- окружная ступенька и осевая ступенька указанных секций ограничивают контуры профиля, который может принимать множество разных форм;

- секции имеют профили и/или размеры, изменяющиеся в окружном направлении внутреннего кожуха;

- профили разных секций смещены друг от друга в осевом направлении турбомашины;

- секции имеют один и тот же профиль, периодически повторяющийся вдоль окружности внутреннего кожуха, образуя тем самым повторяющиеся секции;

- каждая секция покрывает, в окружном направлении внутреннего кожуха, угловой сектор, соответствующий от четырех до десяти шагам роторных лопаток, приводимых в движение указанной роторной частью;

- роторная часть, расположенная напротив первой истираемой поверхности, снабжена герметизирующими элементами, закрепленными на барабане;

- уплотнение выполнено из силикона или эпоксидной смолы. Изобретение относится также к статору турбомашины, снабженному по меньшей мере одним вышеописанным герметичным уплотнением.

Краткое описание чертежей

Фиг. 1 изображает фрагмент осевого сечения турбомашины, известной из уровня техники.

Фиг. 2 изображает часть истираемого уплотнения, известного из уровня техники.

Фиг. 3 изображает восемь секций предложенного истираемого уплотнения.

Фиг. 4 иллюстрирует формы, которые может принимать профиль секций дорожки предлагаемого истираемого уплотнения.

Номера позиций

1 Роторная лопатка

2 Статорная лопатка

3 Внутренний кожух

4 Внешний кожух

5 Барабан

6 Герметизирующий элемент

7 Истираемое уплотнение или герметичное уплотнение

8 Осевая ступенька дорожки истираемого уплотнения

9 Окружная ступенька дорожки истираемого уплотнения

10 Секция истираемого уплотнения

Подробное описание изобретения

Как указано выше, эффективность лабиринта, представленного системой «герметизирующие элементы-истираемые уплотнения», обусловлена возникающими в этой системе потерями напора. Один из механизмов, используемых для увеличения потерь напора, состоит в создании ступенек в истираемом уплотнении, которые форсируют генерацию вихрей, служащих источниками указанных потерь. Настоящее изобретение основано на том факте, что поток в полости не является строго осевым, а имеет сильную вращательную составляющую, возникающую в основном потоке, протекающем в тракте.

Таким образом, в соответствии с изобретением, истираемое уплотнение 7, а точнее его дорожка, т.е. поверхность напротив герметизирующих элементов, имеет также ступеньки, проходящие в окружном направлении (т.е. в направлении по окружности внутреннего кожуха), что позволяет еще больше увеличить потери напора. На фиг. 3 показана часть предлагаемого истираемого уплотнения 7, имеющая на своей дорожке восемь осевых ступенек 8 и восемь окружных ступенек 9. Истираемое уплотнение 7 в целом состоит из группы секций 10, каждая из которых имеет одну осевую ступеньку 8 и одну окружную ступеньку 9. Так, в примере, проиллюстрированном фиг. 3, имеется восемь секций 10 истираемого уплотнения 7.

Окружная ступенька 9 и осевая ступенька 8 секции 10 ограничивают контуры профиля, который может принимать несколько разных форм. В качестве примера, не ограничивающего объем правовой охраны изобретения, на фиг. 4 показаны шесть различных профилей секций дорожки истираемого уплотнения. Согласно настоящему изобретению можно использовать любое истираемое уплотнение, которое имеет окружные ступеньки, обеспечивающие потерю напора.

Секции, образующие истираемое уплотнение, могут иметь на своих дорожках один и тот же профиль либо разные профили, а также могут иметь одинаковые или разные размеры в окружном направлении. Как показано на фиг. 3, профили секций 10 являются одинаковыми или подобными и выверены по линии в окружном направлении. В соответствии с изобретением, эти профили могут быть также смещены относительно друг друга в осевом направлении турбомашины. В соответствии с одним из предпочтительных вариантов изобретения, указанные секции характеризуются циклической повторяемостью с учетом циклической природы кожуха, в виду чего их можно назвать «повторяющимися секциями». В соответствии с другим предпочтительным вариантом изобретения, такая повторяющаяся секция покрывает угловой сектор, соответствующий от четырех до десяти шагам подвижных лопаток, приводимых в движение барабаном.

Указанные профили секций, вообще говоря, нельзя получить посредством токарной обработки, как это делается в настоящее время. Однако такой профиль можно легко выполнить методом формования, придавая ему конечные или почти конечные размеры, в частности, на секторах кожухов.

В соответствии с одним из предпочтительных вариантов изобретения, истираемое уплотнение выполнено из силикона или эпоксидной смолы.

Кроме того, настоящее изобретение относится к истираемым герметичным уплотнениям, в которых каждая секция имеет только окружную ступеньку, а осевой ступеньки не имеет.

Преимущества изобретения

Поскольку окружная составляющая потока утечки, как правило, существенно превышает осевую, препятствие, образованное согласно изобретению окружными ступеньками, обеспечивает более значительную потерю напора, а следовательно, и большую эффективность по сравнению с традиционными формами.

Изобретение относится к герметичному уплотнению статора турбомашины. Герметичное уплотнение (7) имеет первую истираемую поверхность, расположенную напротив роторной части турбомашины, и вторую поверхность, находящуюся в соприкосновении с внутренним кожухом статора. Причем первая истираемая поверхность уплотнения имеет ступенчатую форму и включает в себя группу секций (10), каждая из которых содержит окружную ступеньку (9), образующую препятствие в окружном направлении внутреннего кожуха, и осевую ступеньку (8), образующую препятствие в осевом направлении турбомашины. Изобретение обеспечивает более значительную потерю напора и способствует повышению герметизации. 2 н. и 7 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Герметичное уплотнение (7) статора турбомашины, имеющее первую истираемую поверхность, расположенную напротив роторной части турбомашины, и вторую поверхность, находящуюся в соприкосновении с внутренним кожухом (3) статора, причем первая истираемая поверхность уплотнения (7) имеет ступенчатую форму и включает в себя группу секций (10), каждая из которых содержит:
- окружную ступеньку (9), образующую препятствие в окружном направлении внутреннего кожуха (3), и
- осевую ступеньку (8), образующую препятствие в осевом направлении турбомашины.

2. Уплотнение по п. 1, в котором окружная ступенька (9) и осевая ступенька (8) секций (10) ограничивают контуры профиля, принимающего множество разных форм.

3. Уплотнение по п. 2, в котором секции (10) имеют профили и/или размеры, изменяющиеся в окружном направлении внутреннего кожуха (3).

4. Уплотнение по п. 2, в котором профили разных секций (10) смещены друг от друга в осевом направлении турбомашины.

5. Уплотнение по п. 2, в котором секции (10) имеют один и тот же профиль, периодически повторяющийся вдоль окружности внутреннего кожуха (3), образуя тем самым повторяющиеся секции.

6. Уплотнение по п. 5, в котором каждая повторяющаяся секция покрывает, в окружном направлении внутреннего кожуха (3), угловой сектор, соответствующий от четырех до десяти шагам роторных лопаток (1), приводимых в движение указанной роторной частью.

7. Уплотнение по любому из пп. 1-6, в котором роторная часть, расположенная напротив первой истираемой поверхности, снабжена герметизирующими элементами (6), закрепленными на барабане (5).

8. Уплотнение по любому из пп. 1-6, выполненное из силикона или эпоксидной смолы.

9. Статор турбомашины, снабженный по меньшей мере одним герметичным уплотнением (7) по любому из пп. 1-8.