СЕГМЕНТ УПЛОТНИТЕЛЬНОГО КОЛЬЦА ДЛЯ СТАТОРА ТУРБИНЫ Российский патент 2018 года по МПК F01D11/00 

Изобретение относится к сегменту уплотнительного кольца для статора турбины, который имеет, в основном, форму сегмента боковой поверхности цилиндра, а на своей наружной стороне паз для фиксации направляющих лопаток.

Турбина является проточной машиной, которая преобразует внутреннюю энергию (энтальпию) протекающей среды (жидкости или газа) в энергию вращения, а затем в механическую приводную энергию. От потока среды за счет максимально безвихревого ламинарного обтекания лопаток турбины отбирается часть его внутренней энергии, которая (часть) переходит на рабочие лопатки турбины. С их помощью приводится затем во вращение вал турбины, который отдает полезную мощность на присоединенную рабочую машину, например генератор. Рабочие лопатки и вал являются частями подвижного ротора турбины, расположенного внутри корпуса.

Как правило, несколько лопаток установлены на оси. Установленные в одной плоскости рабочие лопатки образуют соответственно лопастное или рабочее колесо. Лопатки имеют слегка искривленный профиль аналогично несущей поверхности самолета. Перед каждым рабочим колесом обычно находится направляющее колесо. Эти направляющие лопатки направлены от корпуса в протекающую среду, вызывая ее завихрение. Созданное в направляющем колесе завихрение (кинетическая энергия) используется в следующем за ним рабочем колесе для приведения во вращение вала, на котором установлены лопатки рабочего колеса.

Направляющее и рабочее колеса называются сообща ступенью. Часто несколько таких ступеней расположены друг за другом. Поскольку направляющее колесо неподвижно, а направляющие лопатки закреплены на внешней стороне корпуса, необходимо создать герметизацию вала рабочего колеса, чтобы сделать потери как можно меньше. Для этого направляющие лопатки удерживаются со стороны ротора уплотнительными кольцами в форме боковой поверхности цилиндра. Они состоят обычно из нескольких, обычно десяти, сегментов. Они надеваются посредством зацепления на вершине направляющих лопаток (соединение паз-гребень) и герметизируют, тем самым, канал для горячих газов от ротора. Чтобы предотвратить смещение в направлении периферии, сегменты уплотнительного кольца фиксируются по отдельности болтами, которые направлены соответственно радиально в одну из направляющих лопаток.

Из-за имеющихся допусков между лопатками и уплотнительными кольцами, необходимых для обычного при работе теплового расширения, возможно относительное движение. При этом оказалось, что за счет динамических возбуждений может возникнуть значительный износ сегментов уплотнительного кольца. Результаты обследования простираются при этом от простого износа, который делает необходимым замену во время ревизии, до массивного износа, который может привести к принудительной ревизии с заменой уплотнительного кольца или также к повреждению турбины с повреждениями лопаток.

При этом известно снабжение сегмента уплотнительного кольца упругими элементами, действующими на направляющие лопатки посредством возвратного усилия. В US 7645117 для этого предусмотрены тарельчатые пружины большой площади, в US 2008/0019836, US 2011/0135479 и в ЕР 1441108 используются плоские пружины, имеющие кривизну или волнообразную форму в радиальном или осевом направлении, так что возникает соответствующее натяжение.

Однако недостаток известных сегментов уплотнительного кольца в том, что при использовании плоских или больших тарельчатых пружин несколько направляющих лопаток всегда испытывают натяжение на большой площади. Это затрудняет монтаж направляющих лопаток. К тому же возвратное усилие нельзя индивидуально отрегулировать или подстроить.

Задачей изобретения является создание сегмента уплотнительного кольца описанного выше рода, который при простом монтаже и высокой оптимизируемости позволил бы увеличить срок службы и уменьшить затраты на ремонт турбины.

Эта задача решается, согласно изобретению, за счет того, что сегмент уплотнительного кольца содержит для каждой фиксируемой на нем направляющей лопатки соответственно, по меньшей мере, один, действующий на соответствующую направляющую лопатку посредством возвратного усилия нажимной болт, выполненный в виде цилиндрического элемента с возможностью сжатия в осевом направлении.

При этом в изобретении учитывается, что срок службы турбины можно было повысить, а затраты на ее ремонт уменьшить, если бы износ можно было уменьшить за счет относительного движения отдельных направляющих лопаток и сегмента уплотнительного кольца. Для этого пришлось бы ограничить относительное движение. При этом, однако, следует учесть тепловое расширение при работе, так что прочная фиксация с геометрическим замыканием отпадает. Здесь помощь оказывает фиксация с силовым замыканием посредством нажимного болта, который за счет своего возвратного усилия обеспечивает фиксацию с силовым замыканием направляющей лопатки, тогда как тепловое расширение остается возможным за счет упругости. Нажимной болт представляет собой, в основном, цилиндрический элемент, сжимающийся в осевом направлении, например за счет внутренней структуры по типу поршня. При этом нажимной болт выполнен самовозвратным, например за счет соответствующей пружины. Нажимной болт фиксируется и соответственно выверяется за счет соответствующего отверстия в сегменте уплотнительного кольца. При этом для каждой фиксируемой на сегменте уплотнительного кольца направляющей лопатки предусмотрен, по меньшей мере, один нажимной болт, действующий на нее посредством возвратного усилия. Благодаря этому сегмент уплотнительного кольца фиксируется особенно надежно, поскольку за счет нажимного болта возникает соединение с силовым замыканием с каждой отдельной направляющей лопаткой. Поэтому ни одна из направляющих лопаток не может совершить создающее износ относительное движение.

В одном предпочтительном варианте паз для фиксации направляющих лопаток проходит предпочтительно в направлении периферии. Возвратное усилие соответствующего упругого элемента действует в радиальном направлении. Это обеспечивает простой монтаж сегмента уплотнительного кольца, который может быть легко надет на зацепление направляющих лопаток. За счет радиальной ориентации упругого элемента он может быть натяжен изнутри после вставки уплотнительного кольца.

Соответствующий упругий элемент, в частности нажимной болт, включает в себя тарельчатую пружину. Под тарельчатой пружиной следует понимать коническую кольцевую чашку, которая нагружается в осевом направлении и может нагружаться как неподвижно, так и колебательно (динамически). Ввод усилия происходит обычно через верхний внутренний и нижний наружный края. При этом тарельчатая пружина может использоваться в качестве отдельной пружины или пружинного столба. В столбе могут попеременно уложены слоями либо отдельные тарельчатые пружины, либо состоящие из нескольких пружин пружинные пакеты. По сравнению с другими видами пружин тарельчатая пружина имеет ряд предпочтительных свойств, так, например, при небольшом монтажном пространстве она может воспринимать очень большие силы. В зависимости от пропорций ее характеристика может быть линейной или дегрессивной, а за счет подходящего расположения - также прогрессивной (возрастающей). Благодаря возможности почти произвольной комбинации отдельных тарельчатых пружин характеристика за счет длины столба может варьироваться в широких пределах. В случае правильного расчета тарельчатая пружина имеет длительный срок службы при динамической нагрузке, как она возникает, например, в турбине. В качестве материала рассматриваются пружинные стали, также нержавеющие и жаропрочные, а также медные сплавы (CuSn8, CuBe2) и никелевые сплавы (нимоник, инконель, дуратерм).

Кроме того, упругий элемент, в частности нажимной болт, фиксирован посредством резьбового соединения на сегменте уплотнительного кольца. В результате возникает, с одной стороны, разъемное соединение, которое обеспечивает, тем самым, последующую замену в ходе ревизии, а, с другой стороны, упрощается монтаж. Далее за счет глубины ввинчивания точно устанавливается возвратное усилие на зацепление направляющей лопатки. Чтобы предотвратить ослабление болта при работе турбины, предусмотрен предохранитель от прокручивания, например зацепляющийся сбоку болт.

В дополнительном предпочтительном варианте упругий элемент для периферийной фиксации сегмента уплотнительного кольца расположен таким образом, что он с геометрическим замыканием фиксирует направляющую лопатку в направлении периферии. При этом направляющая лопатка имеет соответствующее углубление, в которое вставляется соответственно выполненный упругий элемент. Благодаря этому упругий элемент, в частности нажимной болт, выполняет по типу двойной пользы также задачу использовавшегося до сих пор периферийного фиксирующего болта.

В статоре турбины с определенным числом направляющих лопаток предпочтительно несколько направляющих лопаток своей направленной радиально внутрь вершиной расположены посредством гребня в пазу описанного сегмента уплотнительного кольца.

Турбина включает в себя предпочтительным образом такой статор.

Предпочтительным образом турбина выполнена при этом в виде газовой турбины. Именно в газовых турбинах особенно велики термические, механические и динамические нагрузки, так что описанное выполнение сегмента уплотнительного кольца дает особые преимущества в отношении минимизации износа.

Энергоустановка включает в себя предпочтительным образом такую турбину.

Достигаемые, согласно изобретению, преимущества заключаются, в частности, в том, что за счет ввода тарельчатой пружинной конструкции для определенного натяжения уплотнительного кольца и направляющей лопатки предотвращаются относительные движения между обеими частями. В то же время, несмотря на прочное натяжение, этим гарантируется тепловая подвижность. С помощью описанных тарельчатых пружинных конструкций можно создать определенное натяжение между лопатками и сегментами уплотнительного кольца, которое (натяжение) минимизирует или предотвращает относительное движение, в частности при динамических нагрузках, между деталями. Этим можно уменьшить износ материала или избежать его.

Пример осуществления изобретения более подробно поясняется со ссылкой на чертежи, на которых представлено следующее:

фиг. 1 - частичный продольный разрез газовой турбины с кольцевой камерой сгорания;

фиг. 2 - сечение нажимного болта;

фиг. 3 - сечение сегмента уплотнительного кольца;

фиг. 4 - разрез сегмента уплотнительного кольца.

На фиг. 1 в частичном продольном разрезе изображена турбина 100, здесь газовая турбина. Она содержит внутри вращающийся вокруг оси вращения 102 (осевое направление) ротор 103. Вдоль него друг за другом следуют всасывающий корпус 104, компрессор 105, камера сгорания 110, здесь в виде кольцевой камеры сгорания 106, с несколькими коаксиально расположенными горелками 107, турбина 108 и газовыпускной корпус 109.

Камера сгорания 106 сообщена с кольцеобразным каналом 111 для горячих газов. Там, например четыре, расположенные друг за другом ступени 112, образуют турбину 108. Каждая ее ступень 112 образована двумя лопаточными кольцами. В направлении течения рабочей среды 113 в канале 111 для горячих газов за кольцом 115 направляющих лопаток следует образованное рабочими лопатками 120 кольцо 125.

При этом направляющие лопатки 130 закреплены на статоре 143, а рабочие лопатки 120 кольца 125 размещены на роторе 103 посредством диска 133 турбины. Рабочие лопатки 120 являются, тем самым, составными частями ротора 103. К нему присоединены генератор или рабочая машина (не показаны).

Во время работы газовой турбины 100 компрессор 105 через всасывающий корпус 104 всасывает воздух 135 и сжимает его. Сжатый на конце компрессора 105 со стороны турбины воздух направляется к горелкам 107 и смешивается там с топливом. Затем смесь сжигается в камере сгорания 110 с образованием горячей, находящейся под давлением, рабочей среды 113. Последняя течет оттуда по каналу 111 мимо направляющих 130 и рабочих 120 лопаток. На рабочих лопатках 120 рабочая среда 113 расширяется, передавая импульс, в результате чего рабочие лопатки 120 приводят в действие ротор 103, а тот приводит в действие присоединенную с нему рабочую машину.

Подвергаясь воздействию горячей рабочей среды 113, детали испытывают во время работы газовой турбины 100 термические нагрузки. Направляющие 130 и рабочие 120 лопатки первой в направлении течения рабочей среды 113 ступени 112 турбины наряду с облицовывающими камеру сгорания 106 камнями теплозащитного экрана термически нагружены больше всего. Чтобы выдержать господствующие там температуры, лопатки 120, 130 охлаждаются охлаждающим средством. Точно так же лопатки 120, 130 могут иметь покрытия против коррозии (MCrAlX, М=Fe, Со, Ni, редкоземельные элементы) и тепла (теплоизоляционный слой, например ZrO₂, Y₂O₄-ZrO₂).

Каждая направляющая лопатка 103 имеет обращенную к корпусу 138 турбины 108 ножку (не показана) и противоположную ей вершину. Вершина направляющей лопатки обращена к ротору 103 и фиксирована в уплотнительном кольце 140. При этом каждое уплотнительное кольцо 140 ступени турбины охватывает вал ротора 103. Оно образовано предпочтительным образом десятью одинаковыми сегментами 144.

Вследствие имеющихся допусков при установке направляющих лопаток 130 на уплотнительном кольце 140 возникают относительные движения обеих деталей, которые могут привести к раннему износу и даже к повреждениям газовой турбины 100.

Поэтому в сегментах 144 уплотнительного кольца предусмотрены нажимные болты 146, изображенные в сечении на фиг. 2. Нажимной болт 146 фиксирован в ориентированном в радиальном направлении сквозном отверстии 148 с резьбой 150 путем ввинчивания. Нажимной болт состоит из цилиндрического участка 152 с соответствующей резьбой для свинчивания с сегментом уплотнительного кольца и примыкающего к нему поршня 154 меньшего диаметра, на котором сидит подвижный в осевом направлении нажимного болта 146 колпачок 156, охватывающий поршень 154 на его вершине. За счет этого колпачок 156 фиксирован с геометрическим замыканием в радиальном направлении нажимного болта 146.

Охватывая поршень 154 между участком 152 и колпачком 156, предусмотрены, в общей сложности, восемь попеременно расположенных тарельчатых пружин 158, которые при осевом осаживании нажимного болта 146 оказывают возвратное усилие. Поскольку нажимной болт 146 ввинчен в радиальном направлении по отношению к оси вращения 102 газовой турбины 100 в сегмент 144 уплотнительного кольца, последний оказывает определенное усилие на зацепление направляющей лопатки 130, в результате чего предотвращаются относительные движения, однако остается возможным тепловое расширение. Посредством глубины ввинчивания возвратное усилие можно регулировать.

На фиг. 3 показан продольный разрез сегмента 144 уплотнительного кольца. Оно имеет два отстоящих друг от друга аксиально и радиально паза 160, которые проходят в направлении периферии и открыты в радиальном, соответственно одинаковом направлении. Каждый паз 160 охвачен L-образным в продольном разрезе участком сегмента 144, одна полка которого проходит в радиальном, а другая - в осевом направлении турбины 100. С помощью соответствующих, проходящих в направлении периферии гребней 162 головки направляющих лопаток 130, расположенных с высокой точностью посадки на сегменте 144, последний можно при монтаже надеть на лопаточный венец. При этом нажимной болт 146 расположен в зоне радиально внешнего паза 160 таким образом, что колпачок 156 закачивается в отверстии радиально внутренней стенки паза 160. Поскольку нажимной болт 146 оказывает возвратное усилие, действующее на гребень 162 в пазу 160, гребень 162 прижимается, тем самым, в пазу 160 к радиально ориентированной полке L-образной части сегмента 144. Таким образом, направляющая лопатка 130 упруго фиксируется в пазах 160.

Нажимной болт 146 предохранен от проворачивания пальцем 164. Последний введен через проходящее в осевом направлении отверстие, впадающее в отверстие 148 нажимного болта 146, и ввинчен. За счет этого он оказывает боковое усилие на резьбу нажимного болта 146, фиксируя его с силовым замыканием.

На фиг. 4 изображен частичный разрез уплотнительного кольца 140 и его сегментов 144. Нажимные болты 146 оказывают, как уже сказано, возвратное усилие на направляющие лопатки 130. Один из них дополнительно выполнен в виде периферийного фиксирующего болта 166. Он длиннее остальных нажимных болтов 146 и входит в углубление 168, выполненное для него в хвостовике направляющей лопатки 130. За счет этого сегмент 144 уплотнительного кольца фиксируется в направлении периферии на направляющей лопатке 130.

Сегмент (144) уплотнительного кольца для статора (143) турбины (100), который имеет, в основном, форму сегмента боковой поверхности цилиндра, а на своей наружной стороне паз (160) для фиксации направляющих лопаток (130), должен обеспечивать более длительный срок службы и меньшие затраты на ремонт турбины при простом монтаже и высокой оптимизируемости. Для этого сегмент (144) содержит для каждой фиксируемой на нем направляющей лопатки (130) соответственно по меньшей мере один действующий на соответствующую направляющую лопатку (130) посредством возвратного усилия нажимной болт (146), выполненный в виде цилиндрического элемента, который может сжиматься в осевом направлении. 4 н. и 4 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Сегмент (144) уплотнительного кольца для статора (143) турбины (100), который имеет, в основном, форму сегмента боковой поверхности цилиндра, а на своей наружной стороне паз (160) для фиксации направляющих лопаток (130), причем сегмент (144) уплотнительного кольца содержит для каждой фиксируемой на нем направляющей лопатки (130) соответственно по меньшей мере один действующий на соответствующую направляющую лопатку (130) посредством возвратного усилия нажимной болт (146), который выполнен с возможностью фиксации и соответствующей ориентации посредством соответствующего отверстия в сегменте уплотнительного кольца и в виде цилиндрического элемента с возможностью сжатия в осевом направлении, причем соответствующий нажимной болт (146) включает в себя тарельчатую пружину (158), а возвратное усилие соответствующего нажимного болта (146) действует в радиальном направлении по отношению к оси вращения турбины, в которой установлен сегмент уплотнительного кольца.

2. Сегмент по п. 1, в котором паз (160) проходит в направлении периферии.

3. Сегмент по п. 1 или 2, в котором соответствующий упругий элемент фиксирован на нем посредством резьбового соединения.

4. Сегмент по п. 1 или 2, в котором соответствующий нажимной болт (146) расположен таким образом, что он фиксирует соответствующую направляющую лопатку (130) в направлении периферии с геометрическим замыканием.

5. Статор (153) для турбины (100) с множеством направляющих лопаток (130), причем несколько направляющих лопаток (130) своим направленным внутрь хвостовиком расположены посредством гребня (162) в пазу (160) сегмента (144) уплотнительного кольца по любому из пп. 1-4.

6. Турбина (100) со статором (153) по п. 5.

7. Турбина по п. 6, выполненная в виде газовой турбины.

8. Энергоустановка с турбиной (100) по п. 6 или 7.