УПЛОТНИТЕЛЬНЫЙ УЗЕЛ И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ Российский патент 2016 года по МПК F01D11/08 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

[0001] Изобретение, рассматриваемое в данном документе, относится к области, относящейся к уплотнениям, используемым в турбомашинах и, более конкретно, к лабиринтным уплотнениям с регулируемым зазором, предназначенным для применения между вращающимся компонентом, таким как ротор в турбине или в компрессоре, и неподвижным компонентом, таким как корпус или статор.

ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0002] Лабиринтные уплотнения, используемые в газовых турбинах, авиационных двигателях, компрессорах и других турбинных установках, допускают возникновение протечки, поскольку радиальный зазор для ротора может быть выполнен достаточно большим, чтобы предотвратить задевание ротора об уплотнение. Если ротор входит в контакт с уплотнением, что рассматривается как явление «трение ротора», то уплотнение может быть повреждено с возникновением после этого еще большего зазора. Конкретнее, явление «трение ротора» может возникать в газовой турбине во время ряда переходных состояний ротора, к которым можно отнести динамическое возбуждение ротора, относительную тепловую деформацию ротора и статора или смещение центра ротора, обусловленное образованием гидродинамической смазочной пленки в опорных подшипниках с повышенной скоростью. Отклонения могут возникать, когда газовая турбина проходит через критические скорости, например при запуске. Деформация может быть вызвана тепловыми рассогласованиями между различными компонентами в газовой турбине. Между уплотнением и ротором необходим большой зазор, поскольку вследствие жесткого присоединения к статору лабиринтное уплотнение может быть неспособным регулировать свой зазор во время переходных состояний ротора. Зазоры между вращающимися и неподвижными компонентами газовых турбин могут влиять как на эффективность, так и на эксплуатационные качества турбины. В конструкции газовых турбин жесткие допуски между компонентами могут обеспечить большую эффективность. Подобные переходные состояния ротора возникают и в других турбоустановках, таких как паровые турбины, авиационные двигатели или компрессоры, при этом часто указанные переходные состояния трудно предвидеть.

[0003] Кроме того, лабиринтные уплотнения могут быть выполнены с кольцом, уплотняющим переменный зазор за счет избыточного давления (УПЗИБ), которое поджимает лабиринтное уплотнение от ротора с образованием большего зазора посредством пружины. Такое конструктивное решение способствует предотвращению явления «трение ротора» во время переходных состояний ротора при запуске. Когда перепад давлений в уплотнении превышает определенную величину, то силы, действующие на кольцо УПЗИБ, заставляют его смыкаться с обеспечением небольшого радиального зазора с ротором. В данной конструкции кольца УПЗИБ возникает соединение пар-уплотнение, при котором кольцо УПЗИБ входит в контакт с корпусом или статором. Трение у этого соединения может вызывать запаздывание в открытии и смыкании кольца УПЗИБ. Если после закрытия кольца УПЗИБ возникают переходные состояния ротора, то появляется состояние «трение ротора» и происходит повреждение лабиринтных зубцов.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0004] Ниже приведено описание конкретных вариантов выполнения в соответствии с объемом правовой охраны первоначально заявленного изобретения. Эти варианты выполнения не предполагают ограничения объема правовой охраны заявленного изобретения, точнее, подразумевается, что они только представляют возможные варианты данного изобретения в кратком изложении. В действительности данное изобретение может распространяться на множество вариантов, которые могут быть подобными или отличными от рассмотренных ниже вариантов выполнения.

[0005] В соответствии с первым вариантом выполнения турбомашина содержит неподвижный корпус и ротор, выполненный с возможностью вращения вокруг оси. Уплотнительный узел для турбомашины содержит по меньшей мере одну дугообразную пластину, присоединенную к внутренней поверхности неподвижного корпуса и расположенную в радиальной плоскости. Данный уплотнительный узел также содержит по меньшей мере один сегмент уплотнительного кольца, расположенный между ротором и пластиной. Указанный сегмент уплотнительного кольца расположен с возможностью перемещения вдоль пластины в радиальном направлении. Указанный сегмент уплотнительного кольца содержит по меньшей мере один барьер, который ограничивает окружной поток текучей среды, проходящий вдоль сегмента уплотнительного кольца. Указанный уплотнительный узел также содержит дугообразные зубцы, расположенные между сегментом уплотнительного кольца и ротором. Зазоры по меньшей мере у двух дугообразных зубцов отличаются друг от друга. Кроме того, зазоры у дугообразных зубцов создают пассивную обратную связь в гидростатических силах, создаваемых перепадом давлений в уплотнительном узле, так что при уменьшении зазора при вершине направленные наружу радиальные силы вызывают перемещение сегмента уплотнительного кольца от ротора, а при увеличении зазора при вершине направленные внутрь радиальные силы вызывают перемещение сегмента уплотнительного кольца к ротору. Указанный уплотнительный узел также содержит поджимающий элемент, расположенный между дугообразной пластиной и сегментом уплотнительного кольца и присоединенный к ним.

[0006] Во втором варианте выполнения турбомашина содержит неподвижный корпус и ротор, выполненный с возможностью вращения вокруг оси. Способ изготовления уплотнительного узла для турбомашины включает создание дугообразного сегмента уплотнительного кольца. Указанный дугообразный сегмент уплотнительного кольца предназначен для установки между ротором и неподвижным корпусом. Указанный дугообразный сегмент уплотнительного кольца имеет внутреннюю поверхность и наружную поверхность. Указанный дугообразный сегмент уплотнительного кольца содержит по меньшей мере один барьер и дугообразные зубцы, расположенные на внутренней поверхности. Кроме того, зазоры по меньшей мере у двух дугообразных зубцов отличаются друг от друга. Данный способ также включает присоединение поджимающего элемента к наружной поверхности сегмента уплотнительного кольца.

[0007] В третьем варианте выполнения сегмент сегментированного в окружном направлении уплотнительного узла предназначен для расположения между ротором и неподвижным корпусом. Указанный сегмент содержит дугообразный сегмент уплотнительного кольца, который предназначен для расположения между ротором и неподвижным корпусом. Указанный сегмент также содержит дугообразные зубцы, расположенные между уплотнительным кольцом и ротором. Зазоры по меньшей мере у двух дугообразных зубцов отличаются друг от друга. Указанный сегмент также содержит по меньшей мере один барьер, расположенный на дугообразном сегменте уплотнительного кольца. Указанный барьер, по существу, перпендикулярен указанным дугообразным зубцам.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

[0008] Эти и другие свойства, аспекты и преимущества данного изобретения будут более понятны из последующего подробного описания в сочетании с сопроводительными чертежами, на протяжении которых одинаковыми ссылочными позициями обозначены одинаковые компоненты.

[0009] Фиг.1 показывает продольный разрез турбоустановки в соответствии с вариантом выполнения изобретения;

[0010] фиг.2 показывает вид в аксонометрии уплотнительного участка турбоустановки, показанной на фиг.1, содержащей уплотнительный узел в соответствии с вариантом выполнения изобретения;

[0011] фиг.3 показывает поперечный разрез обычного уплотнительного узла;

[0012] фиг.4 иллюстрирует разрез уплотнительного узла в соответствии с вариантом выполнения изобретения;

[0013] фиг.5 показывает вертикальную проекцию верхней по потоку стороны уплотнительного узла в соответствии с вариантом выполнения изобретения;

[0014] фиг.6 показывает разрез уплотнительного узла в соответствии с вариантом выполнения изобретения;

[0015] фиг.7 показывает разрез уплотнительного узла с приподнятыми контактными участками на вращающемся элементе в соответствии с вариантом выполнения изобретения;

[0016] фиг.8 показывает разрез уплотнительного узла в соответствии с вариантом выполнения изобретения;

[0017] фиг.9 показывает вертикальную проекцию верхней по потоку стороны уплотнительного узла в соответствии с вариантом выполнения изобретения;

[0018] фиг.10 показывает вертикальную проекцию верхней по потоку стороны уплотнительного узла в соответствии с вариантом выполнения изобретения; и

[0019] фиг.11 показывает блок-схему способа изготовления уплотнительного узла в соответствии с вариантом выполнения изобретения.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0020] Ниже приведено описание одного или более конкретных вариантов выполнения данного изобретения. Стремление создать сжатое описание этих вариантов выполнения обусловливает то обстоятельство, что не все свойства фактической реализации изобретения могут быть рассмотрены в данном описании. Следует понимать, что при разработке любой подобной фактической реализации, как и при любом инженерном или опытно-конструкторском проектировании, требуется принимать бесчисленное количество специфических решений, связанных с реализацией, чтобы достичь конкретных целей разработчика, например, следует учитывать системные ограничения и ограничения, связанные с деловой деятельностью, которые могут меняться от одной реализации к другой. Кроме того, следует понимать, что подобные направленные на разработку усилия могут быть сложными и трудоемкими, тем не менее, они являются обычным делом при проектировании, изготовлении и производстве для специалистов, извлекающих пользу из описания изобретения.

[0021] При представлении элементов различных вариантов выполнения данного изобретения подразумевается, что упоминание элемента в единственном числе и термин «указанный» обозначают наличие одного или более данных элементов. Подразумевается, что термины «содержащий», «включающий» и «имеющий» носят охватывающий характер, т.е. в данном случае возможно использование дополнительных элементов, которые отличаются от перечисленных в данном документе элементов.

[0022] Фиг.1 показывает продольный разрез варианта выполнения турбоустановки 10 или турбомашины, которая может содержать различные компоненты, некоторые из которых не показаны ради упрощения изображения. В показанном варианте выполнения газотурбинная установка 10 содержит компрессорную секцию 12, секцию 14 камеры сгорания и турбинную секцию 16. Турбинная секция 16 содержит неподвижный корпус 18 и вращающийся элемент 20 или ротор, который вращается вокруг оси 22. Подвижные лопатки 24 прикреплены к вращающемуся элементу 20, а неподвижные лопатки 26 прикреплены к неподвижному корпусу 18. Подвижные лопатки 24 и неподвижные лопатки 26 расположены с чередованием в осевом направлении. Имеется несколько возможных местоположений, в которые могут быть установлены уплотнительные узлы с барьерами в соответствии с различными вариантами выполнения, например местоположение 28 между обандаженными подвижными лопатками 24 и неподвижным корпусом 18, местоположение 30 между вращающимся элементом 20 и неподвижными лопатками 26, или местоположение 32 концевых уплотнений между вращающимся элементом 20 и неподвижным корпусом 18.

[0023] Рассматриваемый в данном документе уплотнительный узел содержит один или более барьеров, которые ограничивают окружной поток текучей среды, проходящий через уплотнительный узел. Конкретнее, путем ограничения окружного потока каждый сегмент многосегментного уплотнительного узла может индивидуально регулироваться для уменьшения осевой протечки. Рассматриваемый в данном документе уплотнительный узел может использоваться с любой подходящей ротационной машиной, например, но без ограничения этим, с турбоустановкой 10, показанной на фиг.1. Фиг.2 показывает вид в аксонометрии варианта выполнения уплотнительного узла 32. Фиг.3 иллюстрирует возможное влияние переходных состояний вращающегося элемента 20 на обычные уплотнительные узлы. Фиг.4-10 иллюстрируют разрезы и вертикальные проекции других вариантов выполнения уплотнительного узла 32. Фиг.11 показывает способ, который может использоваться для изготовления вариантов выполнения уплотнительного узла 32. В показанных вариантах выполнения барьеры уплотнительного узла 32 могут уменьшать осевую протечку между вращающимся элементом 20 и неподвижным корпусом 18. Более конкретно, в приведенных ниже вариантах выполнения вращающийся элемент 20 совершает вращение относительно неподвижного корпуса 18.

[0024] С учетом вышеизложенного, фиг.2 показывает вид в аксонометрии варианта выполнения уплотнительного узла 32 турбоустановки 10, показанной на фиг.1. Воздух, топливо, пар или другие газы поступают в турбоустановку 10 у верхней по потоку стороны 34 и выходят из данной установки у нижней по потоку стороны 36. В показанном варианте выполнения осевое направление обозначено осью 40, а радиальное направление обозначено осью 42. К дугообразной поверхности неподвижного корпуса 18, обращенной к вращающемуся элементу 20, присоединена дугообразная пластина 44. В некоторых вариантах выполнения пластина 44 может быть выполнена из стали или легированной стали. Помимо этого, в некоторых вариантах выполнения сечение пластины 44 может иметь Т-образную форму, как изображено на фиг.2. Пластина 44 может быть жестко прикреплена к корпусу 18. Кроме того, пластина 44 может быть выполнена в виде полного кольца в 360°, в виде двух дуг в 180° или меньших дуг, которые вместе образуют полное кольцо. Далее, в некоторых вариантах выполнения пластина 44 может состоять из нескольких пластин аналогичной конфигурации.

[0025] Дугообразный сегмент 46 уплотнительного кольца расположен между пластиной 44 и вращающимся элементом 20. Один или более сегментов 46 могут вместе образовывать полное кольцо. Другими словами, уплотнительный узел 32 можно рассматривать как сегментированный в окружном направлении узел. Поверхность сегмента 46, обращенная к вращающемуся элементу 20, может рассматриваться как внутренняя поверхность 49. Подобным образом, поверхность сегмента 46, обращенная к неподвижному корпусу 18, может рассматриваться как наружная поверхность 51. В некоторых вариантах выполнения сегмент 46 может быть выполнен из стали или легированной стали. Помимо этого, сегмент 46 сопрягается с пластиной 44 с зазором 47. Между неподвижным корпусом 18 и сегментом 46 расположены поджимающие элементы 48. Указанные поджимающие элементы 48 действуют в качестве опорных изогнутых элементов и обеспечивают высокую жесткость в осевом направлении 40 и низкую жесткость в радиальном направлении 42. Высокая жесткость в осевом направлении значительно ограничивает перемещение в осевом направлении, а низкая жесткость в радиальном направлении обеспечивает возможность перемещения сегмента 46 в радиальном направлении. Кроме того, поджимающий элемент 48 несет вес сегмента 46 и препятствует его касанию вращающегося элемента 20 в условиях отсутствия потока. В некоторых вариантах выполнения поджимающий элемент 48 может состоять из множества изогнутых элементов. Первый конец 50 каждого изогнутого элемента может быть механически присоединен к сегменту 46, а второй конец 52 каждого изогнутого элемента может быть механически присоединен к неподвижному корпусу 18 или пластине 44, если она выполнена с Т-образной формой. В некоторых вариантах выполнения примеры механического соединения могут включать болты, сварку или другие подходящие способы для механического скрепления двух конструкций. В других вариантах выполнения первый конец 50 может быть выполнен в виде неотъемлемой части сегмента 46, а второй конец 52 может быть механически прикреплен к корпусу 18. В еще одном варианте выполнения второй конец 52 может составлять неотъемлемую часть неподвижного корпуса 18 или пластины 44, если она выполнена с Т-образной формой, а первый конец 50 может быть механически прикреплен к сегменту 46. В этом варианте выполнения каждый изогнутый элемент показан в виде консоли с большим соотношением ширины к толщине. Возможны другие конструкции изогнутых элементов, которые также обеспечивают высокую осевую жесткость и низкую радиальную жесткость.

[0026] Дугообразный сегмент 46 дополнительно содержит дугообразные зубцы 54, присоединенные к поверхности кольца, обращенной к вращающемуся элементу 20. Сегменты каждого зубца, распложенные на каждом сегменте сегмента 46, вместе образуют полное кольцо вокруг вращающегося элемента 20. Промежутки или зазоры между смежными зубцами 54 можно рассматривать как карманы 55. В некоторых вариантах выполнения зубцы 54 могут быть выполнены из легированной стали. Зубцы 54 могут быть расположены в виде одной или более подгруппы зубцов. Зазор между вращающимся элементом 20 и по меньшей мере одним из зубцов 54 отличается от зазоров у остальных зубцов 54. Другими словами, зазоры у всех зубцов 54 не являются одинаковыми. Например, сегмент 46 из шести зубцов 54 может иметь пять одинаковых зазоров и один отличающийся зазор. К другим примерам использования шести зубцов 54 относятся четыре одинаковых зазора и два отличающихся зазора, три одинаковых зазора и три отличающихся зазора, два одинаковых зазора и четыре отличающихся зазора, и шесть зазоров, все из которых отличаются друг от друга.

[0027] Например, лабиринтные уплотнительные узлы с переменным зазором могут содержать один или более дугообразных зубцов 54 с уменьшающимися зазорами, начиная от верхней по потоку стороны 34 к нижней по потоку стороне 36. Подобные уплотнительные узлы могут проявлять самокорректирующееся свойство во время работы. Конкретнее, при увеличении зазоров между вершинами зубцов 54 и вращающимся элементом 20 уменьшаются гидростатические подъемные силы с обеспечением тем самым уменьшения зазоров. При уменьшении зазоров гидростатические подъемные силы возрастают с обеспечением тем самым увеличения зазоров. При поддержании зазоров лабиринтные уплотнительные узлы с переменным зазором способствуют уменьшению осевой протечки и предотвращают повреждение турбины. Таким образом, уплотнительные узлы с переменным зазором могут использовать перемещение сегментов 46 в радиальном или окружном направлении для содействия поддержанию требуемых зазоров у вершин зубцов. Варианты выполнения уплотнительного узла 32 с барьерами способствуют подобному перемещению в уплотнительных узлах с переменным зазором, а также в других уплотнительных узлах, использующих перемещение уплотнительных колец, как более подробно изложено ниже.

[0028] Как показано на фиг.2, сегмент 46 также содержит один или более барьеров 56, присоединенных к поверхности кольца, обращенной к вращающемуся элементу 20. Барьеры 56 предназначены для ограничения окружного потока текучей среды, проходящего вдоль сегмента 46. Например, барьеры 56 могут ограничивать прохождение окружного потока текучей среды от одной стороны сегмента 46 к другой его стороне, как обозначено стрелкой 58. Кроме того, барьеры 56 могут ограничивать окружной поток текучей среды, проходящий от одного сегмента 46 к другому сегменту, как обозначено стрелкой 60. Таким образом, барьеры 56 способствуют ограничению окружного потока текучей среды в проходах между дугообразными зубцами 54 сегмента 46. В показанном варианте выполнения сегмент 46 содержит три барьера 56, причем два барьера 56 расположены около концов сегмента 56, а один барьер 56 расположен около средней части сегмента 46, разделяя тем самым сегмент 46 на два сектора. Три барьера 56 предназначены для ограничения как потока, проходящего вдоль сегмента 46, как обозначено стрелкой 58, так и потока, проходящего от других сегментов 46, как обозначено стрелкой 60 и подробно изложено в дальнейшем. В других вариантах выполнения для ограничения окружного потока текучей среды, проходящего вдоль сегмента 46 или между сегментами 46, можно использовать большее или меньшее количество барьеров 56. Например, большее количество барьеров 56 можно использовать при больших сегментах 46 или для дополнительного ограничения окружного потока текучей среды, проходящего вдоль сегмента 46, как обозначено стрелкой 58. В других вариантах выполнения барьеры 56 могут быть расположены на расстоянии от концов сегмента 46 вместо расположения у концов сегмента 46. В показанном варианте выполнения барьеры 56, в целом, лежат в осевой плоскости, определяемой осевой осью 40 и радиальной осью 42, для ограничения окружного потока текучей среды, проходящего вдоль сегмента 46. Другими словами, барьеры 56, по существу, проходят перпендикулярно дугообразным зубцам 54. Однако в других вариантах выполнения барьеры 56 могут быть расположены под углом к проходящей в осевом направлении оси 40. В некоторых вариантах выполнения барьеры 56 могут быть выполнены из материала, аналогичного материалам, используемым для сегмента 46 и/или зубцов 54. Например, барьеры 56 могут быть выполнены из легированной стали.

[0029] Для иллюстрации взаимосвязи между переходными состояниями вращающегося элемента 20 и окружным потоком фиг.3 показывает поперечный разрез по оси 40 обычного уплотнительного узла 68. Данный уплотнительный узел 68 содержит шесть уплотнительных кольцевых сегментов 70, 72, 74, 76, 78 и 80, расположенных вокруг вращающегося элемента 20. Каждый из сегментов 70, 72, 74, 76, 78 и 80 содержит дугообразные зубцы 54. Таким образом, уплотнительный узел 68 является лабиринтным уплотнительным узлом с переменным зазором, как изложено выше. Центрированное положение 82 вращающегося элемента 20 может отличаться от смещенного положения 84 вращающегося элемента 20. Различие в положениях 82 и 84 может быть вызвано различными переходным состояниями вращающегося элемента 20, например, но без ограничения этим, вибрацией, биением и тепловыми деформациями. Таким образом, когда элемент 20 вращается с большой скоростью, то некоторые из сегментов 70, 72, 74, 76, 78 и 80 могут располагаться ближе к вращающемуся элементу 20 по сравнению с другими.

[0030] Например, оба сегмента 70 и 76 отделены от вращающегося элемента 20 расстоянием 86, когда вращающийся элемент 20 находится в центрированном положении 82. По сути, все сегменты 70, 72, 74, 76, 78 и 80 могут быть отделены от вращающегося элемента 20 на расстояние 86, когда вращающийся элемент 30 находится в центрированном положении 82. Однако, когда вращающийся элемент 20 находится в смещенном положении 84, то промежуток между сегментом 70 и вращающимся элементом 20 уменьшается до расстояния 88 смещения. Соответственно промежуток между сегментом 76 и вращающимся элементом 20 увеличивается до расстояния 90 смещения. Таким образом, следует ожидать, что для сегмента 70 гидростатические подъемные силы будут возрастать с увеличением тем самым зазора между сегментом 70 и вращающимся элементом 20. Кроме того, следует ожидать, что для сегмента 76 гидростатические подъемные силы будут уменьшаться с уменьшением тем самым зазора между сегментом 76 и вращающимся элементом 20. Однако карманы 55 между смежными дугообразными зубцами 54 сегментов 70, 72, 74, 76, 78 и 80 уплотнительного узла 68 сообщаются друг с другом. Другими словами, окружной поток может переносить текучую среду от одного уплотнительного кольцевого сегмента к другому сегменту и выравнивать давление в соответствующих карманах 55 для различных уплотнительных кольцевых сегментов. Таким образом, вышеупомянутые самокорректирующие гидростатические силы могут быть неэффективными. Когда вращающийся элемент 20 находится в смещенном положении 84, то сегмент 76 может иметь увеличенную осевую протечку по сравнению с сегментом 70. Однако барьеры 56, расположенные около концов сегмента 46, показанного на фиг.2, ограничивают прохождение окружного потока из смежных сегментов 46, обеспечивая тем самым индивидуальную реакцию каждого из сегментов 46 на гидростатические подъемные силы. Таким образом, каждый из сегментов 46 уплотнительного узла 32 способен поддерживать надлежащие зазоры во время переходных состояний вращающегося элемента 20, содействуя уменьшению осевой протечки.

[0031] Обратимся снова к фиг.3. Переходные состояния вращающегося элемента 20 и окружной поток также могут влиять на сегменты 72, 74, 78 и 80. Конкретнее, при использовании сегмента 72, в качестве примера, зазор между сегментом 72 и вращающимся элементом 20 равен расстоянию 86, когда вращающийся элемент 20 находится в центрированном положении 82. Однако, когда вращающийся элемент 20 находится в смещенном положении 84, то зазор между сегментом 72 и вращающимся элементом 20 уменьшается у одного конца до расстояния 94 смещения. Промежуток между другим концом сегмента 72 и вращающимся элементом 20 остается приблизительно равным центрированному расстоянию 86. Таким образом, при уменьшении промежутка до расстояния 94 смещения следует ожидать, что гидростатические подъемные силы будут возрастать, увеличивая тем самым зазор между этим концом сегмента 72 и вращающимся элементом 20. Однако карманы 55 между смежными зубцами 54 у одного конца сегмента 72 уплотнительного узла 68 сообщаются с карманами 55 у другого конца сегмента 72. Другими словами, текучая среда может проходить в окружном направлении от одного конца сегмента 72 к его другому концу и выравнивать давление в окружном направлении вдоль карманов 55. Соответственно давление вдоль сегмента 72 является приблизительно равномерным. Таким образом, когда вращающийся элемент 20 находится в смещенном положении 84, то один конец сегмента 72 имеет больший зазор по сравнению с другим концом, что может создать увеличенную осевую протечку. Однако барьер 56, расположенный около средней части сегмента 46, показанного на фиг.2, ограничивает окружной поток, проходящий вдоль сегмента 46, обеспечивая тем самым относительно независимую реакцию каждого конца сегмента 46 на гидростатические подъемные силы. Таким образом, барьеры 56 уплотнительного узла 32 обеспечивают пассивную обратную связь и гидростатические силы для поддержания равновесных зазоров между дугообразными зубцами 54 и вращающимся элементом 20, так что предотвращается вхождение в контакт зубцов 54 с вращающимся элементом 20 во время переходных состояний элемента 20, что также способствует уменьшению осевой протечки.

[0032] Для более подробного рассмотрения барьера 56 уплотнительного узла 32 обратимся к фиг.4, на котором показан разрез варианта выполнения уплотнительного узла по линии 4-4, показанной на фиг.2. Как показано на фиг.4, длины дугообразных зубцов 54 постепенно увеличиваются в направлении от верхней по потоку стороны 34 к нижней по потоку стороне 36. Верхняя по потоку сторона 110 барьера 56, в целом, проходит по контуру дугообразных зубцов 54, расположенных у верхней по потоку стороны 34. Подобным образом, нижняя по потоку сторона 112 барьера 56, в целом, проходит по контуру дугообразных зубцов 54, расположенных у нижней по потоку стороны 36. Другими словами, верхняя и нижняя по потоку стороны 110 и 112, по существу, не являются параллельными радиальной оси 42. Нижняя сторона 114 соединяет верхнюю и нижнюю по потоку стороны 110 и 112 барьера 56. Как показано на фиг.4, нижняя сторона 114, в целом, проходит по контуру вершин 116 дугообразных зубцов 54. Таким образом, поскольку нижняя сторона 114 проходит с наклоном, то верхняя по потоку высота 118 барьера 56 является меньше нижней по потоку высоты 120. Другими словами, барьер 56 имеет, по существу, трапецеидальную форму. Конфигурация барьера 56 ограничивает окружной поток текучей среды, проходящей между дугообразными зубцами 54 и уплотнительным узлом 32. В других вариантах выполнения форма барьера 56 может отличаться от формы, показанной на фиг.4, как подробно изложено ниже.

[0033] Для иллюстрации конструкции барьера 56 фиг.5 показывает вертикальную проекцию верхней стороны 34 уплотнительного узла 32 в разрезе по линии 5-5, показанной на фиг.2. Как показано на фиг.5, барьеры 56 способствуют ограничению окружного потока текучей среды, обозначенного стрелками 58 и 60. Толщина 126 каждого из барьеров 56 может быть выполнена так, чтобы обеспечивать достаточную прочность барьеров 56 при ограничении окружного потока. Кроме того, барьеры 56 могут быть разнесены на расстояние 128. В показанном варианте выполнения уплотнительный узел 32 содержит три барьера 56, разнесенные приблизительно на равные промежутки 128. В других вариантах выполнения уплотнительный узел 32 может содержать дополнительные барьеры 56, которые также разнесены приблизительно на равные промежутки 128. В других вариантах выполнения промежутки 128 между барьерами 56 могут быть неравномерными или неравными.

[0034] Барьеры 56 уплотнительного узла 32 не должны проходить по контуру вершин 116 дугообразных зубцов 54. Как показано на фиг.6, барьер 56 может иметь, по существу, прямоугольную форму. Конкретнее, верхняя по потоку сторона 110 может быть, по существу, параллельной радиальной оси 42 и длиннее дугообразного зубца 54, расположенного у верхней по потоку стороны 34. Нижняя по потоку сторона 112 также может быть параллельна радиальной оси 42 и иметь приблизительно длину дугообразного зубца 54, расположенного у нижней по потоку стороны 36. Другими словами, верхняя и нижняя по потоку высоты 118 и 120 барьера 56 могут быть приблизительно равны. Таким образом, нижняя сторона 114 может быть, в целом, параллельной оси 40. Кроме того, нижняя сторона 114 барьера 56 может быть, в целом, прямолинейной. Такая конфигурация барьера 56 может дополнительно ограничивать окружной поток по сравнению с барьером 56, показанным на фиг.4. То есть барьер 56, показанный на фиг.6, не только ограничивает окружной поток текучей среды, проходящий между дугообразными зубцами 54, но и, по существу, весь окружной поток, проходящий вдоль уплотнительного сегмента 46.

[0035] Кроме того, барьеры 56 могут использоваться вместе с уплотнительными узлами 32, которые имеют приподнятые контактные участки 130, выполненные на вращающемся элементе 20, как показано на фиг.7. Подобные «hi-lo» свойства могут быть полезными при создании более извилистых траекторий для потока протечки. Другими словами, зазоры 132 между дугообразными зубцами 54 и приподнятыми контактными участками 130 могут постепенно уменьшаться в направлении от верхней по потоку стороны 34 к нижней по потоку стороне 36. В показанном варианте выполнения верхняя и нижняя по потоку стороны 110 и 112 барьера 56, в целом, проходят по контурам дугообразных зубцов 54, расположенных у верхней и нижней по потоку сторон 34 и 36. Нижняя сторона 114 может быть, по существу, прямолинейной, при этом она отнесена от приподнятых участков 130 для содействия предотвращению прохождения барьера 56 в приподнятые участки 130 во время переходных состояний вращающегося элемента 20. В других вариантах выполнения нижняя сторона 114 может иметь, в целом, пилообразную форму, которая проходит по контуру вершин 116 дугообразных зубцов 54. В других вариантах выполнения нижняя сторона 114 может иметь, в целом, прямоугольную пилообразную форму, которая проходит по контуру приподнятых контактных участков 130. Таким образом, в некоторых вариантах выполнения нижняя сторона 114 не является прямолинейной. Подобные конфигурации барьера 56 способствуют как ограничению окружного потока, так и размещению конкретных конфигураций уплотнительного узла 32.

[0036] В конкретном варианте выполнения дугообразные зубцы 54 уплотнительного узла 32 могут быть выполнены в рядах с повторяющейся или неповторяющейся схемой расположения, как показано на фиг.8. Соответственно нижняя сторона 114 барьера 56 может быть выполнена так, чтобы проходить по контуру вершин 116 дугообразных зубцов 54. Как показано на фиг.8, первый участок 150 нижней стороны 114 может, по существу, проходить с наклоном к вращающемуся элементу 20, следуя по контуру вершин 116 первого ряда дугообразных зубцов 54. Второй участок 152 нижней стороны 114 может следовать по контуру вершин 116 второго ряда дугообразных зубцов 54. Таким образом, нижняя сторона 114 имеет, по существу, пилообразную, а не прямолинейную форму. В различных вариантах выполнения барьер 56 может быть выполнен с различными формами, по существу, совместимыми с различными конфигурациями лабиринтных уплотнительных узлов 32 с переменным зазором.

[0037] В дополнение к вышеприведенным вариантам выполнения уплотнительных узлов 32 в некоторых вариантах выполнения стороны сегментов 46 могут быть наклонены под углом 170 к радиальной оси 42, как показано в виде вертикальной проекции на фиг.9. Подобные варианты выполнения уплотнительных узлов 32 могут обеспечить перемещение сегментов 46 как в радиальном, так и в окружном направлениях. В подобных вариантах выполнения барьеры 56 также могут быть наклонены под углом 170 к радиальной оси 42. Как вариант, барьеры 56 могут быть, по существу, параллельными радиальной оси 42. В показанных вариантах выполнения уплотнительный узел 32 содержит три барьера 56. Наружные два барьера 56 отнесены приблизительно на равные расстояния 172 от краев уплотнительного узла 32. В других вариантах выполнения два наружных барьера 56 могут быть смещены от краев уплотнительного узла 32 на неравные расстояния 172. В подобных вариантах выполнения промежутки 128 между наружными двумя барьерами 56 и внутренним барьером 56 также могут быть различными.

[0038] В других вариантах выполнения края уплотнительного узла 32 могут быть дугообразными, как показано в виде вертикальной проекции на фиг.10. Подобные варианты выполнения уплотнительного узла 32 могут обеспечить перемещение сегментов 46 радиально и в окружном направлении по криволинейной траектории. Кроме того, дугообразные края сегмента 46 могут быть наклонены под углом 170 к радиальной оси 42. В подобных вариантах выполнения барьеры 56 также могут быть дугообразными. В показанных вариантах выполнения уплотнительный узел 32 содержит два барьера 56, отнесенные друг от друга на расстояние 128, а от краев уплотнительного узла на расстояние 172. Оба барьера 56 могут содействовать ограничению окружного потока, проходящего вдоль сегмента 46, а также от других сегментов 46. В других отношениях уплотнительный узел 132, показанный на фиг.10, аналогичен другим вышерассмотренным вариантам выполнения.

[0039] Различные подробно рассмотренные выше варианты уплотнительного узла 32 могут быть выполнены с использованием способа 190, проиллюстрированного на блок-схеме, показанной на фиг.11. На этапе 192 выполняют сегмент 46 уплотнительного узла 32. Сегмент 46 выполняют так, чтобы обеспечить его установку между вращающимся элементом 20 и неподвижным корпусом 18 турбоустановки 10. Сегмент 46 имеет внутреннюю и наружную поверхности 49 и 51. На внутренней поверхности 49 сегмента 46 расположены по меньшей мере один барьер 56 и один или более дугообразных зубцов 54. Барьер 56 способствует ограничению окружного потока, проходящего вдоль внутренней поверхности 49 сегмента 46. Кроме того, зазор по меньшей мере у одного из дугообразных зубцов 54 отличается от зазоров у остальных дугообразных зубцов 54. На этапе 194 к наружной поверхности 51 сегмента 46 присоединяют поджимающий элемент 48. Указанные поджимающие элементы конструктивно решены так, чтобы действовать в качестве опор и создавать возможность для перемещения сегмента 46 в радиальном направлении, но с ограничением перемещения в осевом направлении.

[0040] В изложенном описании используются примеры, характеризующие данное изобретение, включая предпочтительные варианты выполнения, а также обеспечивающие возможность любому специалисту осуществить на практике данное изобретение, включая выполнение и использование любых устройств или установок, а также выполнение любых относящихся к этому или включенных способов. Кроме того, приведенные в данном документе варианты выполнения обладают свойствами, которые могут быть объединены друг с другом и со свойствами других рассмотренных вариантов выполнения. Объем правовой охраны данного изобретения определен формулой изобретения, при этом он может включать другие примеры, которые встретятся специалистам. Подразумевается, что подобные другие примеры подпадают под объем правовой охраны формулы изобретения, если они содержат конструктивные элементы, которые не отличаются от элементов, описанных в формуле изобретения, или если они содержат равноценные конструктивные элементы с несущественными отличиями от элементов, описанных в формуле изобретения.

Уплотнительный узел для турбомашины содержит по меньшей мере одну дугообразную пластину, поджимающий элемент и по меньшей мере один сегмент уплотнительного кольца. Сегмент уплотнительного кольца содержит по меньшей мере один барьер, который ограничивает окружной поток текучей среды, проходящей вдоль сегмента уплотнительного кольца. При этом уплотнительный узел содержит дугообразные зубцы, расположенные между сегментом уплотнительного кольца и ротором. Зазоры по меньшей мере у двух дугообразных зубцов отличаются друг от друга. Достигается регулирование радиального зазора между зубцами и ротором. 2 н. и 13 з.п. ф-лы, 11 ил.

1. Уплотнительный узел (32) для турбомашины (10), включающей неподвижный корпус (18) и ротор (20), расположенный с возможностью вращения вокруг оси (22), содержащий
по меньшей мере одну дугообразную пластину (44), присоединенную к внутренней поверхности (49) неподвижного корпуса (18) и расположенную в радиальной плоскости,
по меньшей мере один сегмент (46) уплотнительного кольца, расположенный между ротором (20) и указанной пластиной (44) с возможностью перемещения вдоль пластины (44) в радиальном направлении (42), при этом сегмент (46) уплотнительного кольца содержит по меньшей мере один барьер (56), который ограничивает окружной поток (58, 60) текучей среды вдоль сегмента (46) уплотнительного кольца,
дугообразные зубцы (54), расположенные между сегментом (46) уплотнительного кольца и ротором (20), причем зазоры (132) по меньшей мере у двух дугообразных зубцов (54) отличаются друг от друга с возможностью создания пассивной обратной связи в гидростатических силах, создаваемых перепадом давлений в уплотнительном узле (32), так что при уменьшении зазора (132) при вершине зубца направленные наружу радиальные силы вызывают перемещение сегмента (46) уплотнительного кольца от ротора (20), а при увеличении указанного зазора (132) направленные внутрь радиальные силы вызывают перемещение сегмента (46) уплотнительного кольца к ротору (20), и
поджимающий элемент (48), расположенный между дугообразной пластиной (44) и сегментом (46) уплотнительного кольца и присоединенный к ним.

2. Уплотнительный узел (32) по п.1, в котором барьер (56) расположен вблизи конца сегмента (46) уплотнительного кольца.

3. Уплотнительный узел (32) по п.1, в котором барьер (56) расположен в направлении внутренней части сегмента (46) уплотнительного кольца.

4. Уплотнительный узел (32) по п.1, в котором пара наружных барьеров (56) расположена вблизи концов сегмента (46) уплотнительного кольца, а внутренний барьер (56) расположен в направлении внутренней части сегмента (46) уплотнительного кольца.

5. Уплотнительный узел (32) по п.1, в котором барьер (56) содержит металлическую пластину, соединяющую вершины (116) дугообразных зубцов (54).

6. Уплотнительный узел (32) по п.1, в котором барьер (56) выровнен с внутрисегментным зазором, расположенным между двумя смежными сегментами (46) уплотнительного кольца.

7. Уплотнительный узел (32) по п.1, в котором барьер (56) имеет дугообразную форму на виде вдоль оси (22) ротора (20).

8. Уплотнительный узел (32) по п.1, в котором пассивная обратная связь в гидростатических силах поддерживает равновесный зазор между указанными дугообразными зубцами (54) и ротором (20) с обеспечением предотвращения вхождения дугообразных зубцов (54) в контакт с ротором (20) во время переходных состояний ротора.

9. Уплотнительный узел (32) по п.1, в котором указанные дугообразные зубцы (54) расположены на сегменте (46) уплотнительного кольца.

10. Уплотнительный узел (32) по п.1, в котором имеются две или более подгруппы (150, 152) дугообразных зубцов (54), причем схема зазоров (132) у дугообразных зубцов (54) повторяется в указанных двух или более подгруппах (150,152) дугообразных зубцов (54).

11. Уплотнительный узел (32) по п.1, в котором поверхность (114) барьера (56), обращенная к ротору (20), выполнена непрямолинейной.

12. Уплотнительный узел (32) по п.1, в котором поджимающий элемент (48) содержит изогнутые элементы, механически присоединенные к неподвижному корпусу (18) и сегменту (46) уплотнительного кольца и выполненные с возможностью действия в качестве опор и с обеспечением возможности перемещения сегмента (46) уплотнительного кольца в радиальном направлении (42) и предотвращения его перемещения в осевом направлении (40).

13. Способ (190) изготовления уплотнительного узла (32) для турбомашины (10), содержащей неподвижный корпус (18) и ротор (20), расположенный с возможностью вращения вокруг оси (22), включающий
создание (192) дугообразного сегмента (46) уплотнительного кольца, предназначенного для установки между ротором (20) и неподвижным корпусом (18), причем указанный дугообразный сегмент (46) имеет внутреннюю поверхность (49) и наружную поверхность (51) и содержит по меньшей мере один барьер (56) и дугообразные зубцы (54), расположенные на указанной внутренней поверхности (49), при этом зазоры (132) по меньшей мере у двух дугообразных зубцов (54) отличаются друг от друга, и
присоединение (194) поджимающего элемента (48) к наружной поверхности (51) сегмента (46) уплотнительного кольца.

14. Способ (190) по п.13, в котором барьер (56) расположен, по существу, параллельно указанной оси (22).

15. Способ (190) по п.13, в котором барьер (56) размещают вблизи конца дугообразного сегмента (46) уплотнительного кольца.