Способ регулировки уплотнительного зазора в турбомашине и соответствующая турбомашина Российский патент 2019 года по МПК F01D11/24 F04D29/16 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Настоящее изобретение относится к турбомашинам. Более конкретно, настоящее изобретение относится к усовершенствованию уплотнительных устройств для турбомашин, работающих при высоких температурах.

ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

В документе WO 01/29426 А1 раскрыто применение охлаждающего потока в радиальных зазорах между ротором и статором турбомашины.

Турбомашины, например центробежные компрессоры, турбины и подобные машины, часто работают при высокой температуре, при этом и вращающиеся элементы и неподвижные элементы турбомашин подвержены тепловому расширению.

В машинах с быстрым запуском, т.е. в машинах, в которых запуск выполняется за короткий промежуток времени, уплотнительный зазор между уплотнительным устройством, установленным на неподвижном элементе, и вращающимся элементом должен быть выполнен так, чтобы при запуске уплотнительное устройство не контактировало с вращающимся элементом, который подвержен быстрому увеличению в размере из-за центробежного и теплового радиального расширения в радиальном направлении.

Для предотвращения повреждений уплотнения во время запуска, вызванных тем, что радиальное расширение статора происходит медленнее, чем радиальное расширение ротора, величина диаметра уплотнительного устройства выбрана таким образом, что достаточный радиальный зазор обеспечивается также при запуске. Следовательно, при достижении турбомашиной установившегося режима работы, радиальный уплотнительный зазор сравнительно велик. Большой радиальный зазор приводит к падению мощности турбомашины.

Поэтому существует необходимость в улучшении управления радиальным зазором уплотнительных устройств в турбомашинах, работающих при высокой температуре и имеющих быструю процедуру запуска.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Согласно одному аспекту, в настоящем изобретении предложена турбомашина, содержащая неподвижный элемент, вращающийся элемент, с возможностью вращения установленный в неподвижном элементе, и уплотнительное устройство между вращающимся элементом и неподвижным элементом. Преимущественно также предусмотрено охлаждающее устройство, выполненное с обеспечением подачи охлаждающей текучей среды к уплотнительному устройству и отвода тепла от уплотнительного устройства.

Путем отвода тепла от уплотнительного устройства можно регулировать уплотнительный зазор, особенно в установившемся режиме работы, тем самым увеличивая общий коэффициент полезного действия турбомашины.

Уплотнительное устройство может содержать неподвижное уплотнительное кольцо, то есть уплотнительное кольцо, установленное без возможности вращения на неподвижном элементе турбомашины, например на диафрагме ступени компрессора.

Согласно некоторым преимущественным вариантам выполнения, охлаждающее устройство содержит охлаждающую камеру, выполненную в уплотнительном устройстве и содержащую по меньшей мере один канал подачи охлаждающей текучей среды, который проточно сообщается с охлаждающей камерой для подачи охлаждающей текучей среды в указанную камеру. В некоторых вариантах выполнения охлаждающее устройство также содержит по меньшей мере один канал выпуска охлаждающей текучей среды, который проточно сообщается с охлаждающей камерой для выпуска охлаждающей текучей среды из указанной камеры. Охлаждающая камера может быть выполнена между уплотнительным кольцом или кольцевым уплотнительным элементом уплотнительного устройства и неподвижным элементом, на котором установлено уплотнительное устройство.

В некоторых вариантах выполнения охлаждающая камера может быть выполнена внутри уплотнительного кольца или кольцевого уплотнительного элемента уплотнительного устройства, например если уплотнительное кольцо имеет достаточно большое сечение.

Преимущественно охлаждающая камера одинакова по протяженности или по существу одинакова по протяженности с уплотнительным элементом и преимущественно проточно сообщается с указанным элементом по существу по всей его протяженности. «По существу одинакова по протяженности» предпочтительно означает, что периферическая протяженность охлаждающей камеры равна по меньшей мере 70%, более предпочтительно по меньшей мере 80%, еще более предпочтительно по меньшей мере 90% от периферической протяженности уплотнительного элемента. По существу одинаковая протяженность уплотнительного элемента и охлаждающей камеры обеспечивает особенно эффективную регулировку температуры уплотнительного устройства.

Кольцевой уплотнительный элемент может быть установлен в гнезде неподвижного элемента с обеспечением возможности взаимного радиального перемещения кольцевого уплотнительного элемента и гнезда. Таким образом радиальное расширение кольцевого уплотнительного элемента можно регулировать с помощью охлаждающей текучей среды и уменьшать указанное расширение или поддерживать его меньшим по сравнению с радиальным расширением неподвижного элемента, на котором установлен кольцевой уплотнительный элемент.

Отработанная охлаждающая текучая среда может рециркулировать в контуре охлаждения. В других вариантах выполнения отработанная текучая среда может выпускаться в окружающую среду, если позволяет тип охлаждающей текучей среды, например если используется воздух. В некоторых других вариантах выполнения в качестве охлаждающей текучей среды может использоваться такой же газ, как тот, который обрабатывает турбомашина, или газ, совместимый с обрабатываемым турбомашиной газом. В этом случае отработанную охлаждающую текучую среду можно выпускать в основной поток технологического газа, проходящего через турбомашину, при условии, что давление охлаждающего газа выше давления технологического газа.

Согласно еще одному аспекту в изложенном здесь изобретении предложен способ регулировки уплотнительного зазора в турбомашине между ее вращающимся элементом и неподвижным уплотнительным устройством, взаимодействующим с вращающимся элементом. Способ включает отведение тепла от уплотнительного устройства для уменьшения теплового расширения уплотнительного устройства во время работы турбомашины.

В особенно преимущественных вариантах выполнения способ включает:

обеспечение охлаждающей камеры между уплотнительным устройством и неподвижным элементом, на котором установлено уплотнительное устройство,

подачу охлаждающей текучей среды в указанную охлаждающую камеру и таким образом отвод тепла от уплотнительного устройства.

Уплотнительное устройство согласно предложенному изобретению может быть выполнено в любой турбомашине, где регулировка уплотнительного зазора с помощью отвода тепла может быть эффективной. В горячих турбомашинах, таких как газовые турбины, может использоваться предложенная в настоящем документе конструкция. Также в компрессорах, например осевых и центробежных компрессорах, может быть установлена предложенная в настоящем документе конструкция. Особенно эффективно это будет в компрессорах, в которых обрабатываемая текучая среда достигает относительно высоких температур, таких как компрессоры для систем аккумулирования энергии с помощью сжатого воздуха (CAES) или для систем аккумулирования энергии с помощью адиабатически сжатого воздуха (ACAES).

Признаки и варианты выполнения изобретения рассмотрены далее в настоящем документе, а также изложены в прилагаемой формуле изобретения, которая является неотъемлемой частью настоящего описания. В вышеприведенном кратком описании изложены признаки различных вариантов выполнения настоящего изобретения для того, чтобы было более понятно нижеследующее подробное описание и для того, чтобы лучше оценить предлагаемое усовершенствование существующего уровня техники. Конечно существуют и другие признаки изобретения, которые будут описаны далее в настоящем документе и которые будут изложены в прилагаемой формуле изобретения. В связи с этим, перед подробным описанием некоторых вариантов выполнения изобретения следует отметить, что различные варианты выполнения изобретения не ограничены в своем применении деталями конструкции и расположением компонентов, приведенными в нижеследующем описании или проиллюстрированными на чертежах. Изобретение может иметь другие варианты выполнения и может осуществляться на практике и реализовываться различными способами. Также следует понимать, что формулировки и терминология использованы в настоящем документе для описания и не должны рассматриваться как ограничивающие.

Таким образом, специалистам в данной области будет понятно, что идея, на которой основано описание, может легко быть использована как основа для разработки других конструкций, методов и/или систем для достижения различных целей настоящего изобретения. Поэтому важно понимать, что формула изобретения охватывает такие эквивалентные конструкции, если они не выходят за пределы сущности и объема настоящего изобретения.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Более полная оценка изложенных вариантов выполнения изобретения и многих соответствующих преимуществ указанных вариантов будет легко получена, когда указанные варианты станут более понятны благодаря изучению следующего подробного описания совместно с прилагаемыми чертежами, на которых:

Фиг. 1 иллюстрирует схематический разрез многоступенчатого центробежного компрессора,

Фиг. 2 иллюстрирует увеличенный вид последней ступени компрессора, показанного на фиг. 1,

Фиг. 3 иллюстрирует увеличенный вид уплотнительного устройства у входной кольцевой части рабочего колеса одной из ступеней компрессора, показанного на фиг. 1,

Фиг. 4 иллюстрирует схематический разрез по линии IV-IV на фиг. 2,

Фиг. 5 иллюстрирует разрез уплотнительного устройства для входной кольцевой части рабочего колеса в соответствии с еще одним вариантом выполнения, где показана камера циркуляции охлаждающей текучей среды, выполненная в уплотнительном устройстве, и

Фиг. 6 иллюстрирует еще один разрез уплотнительного устройства со шпонкой, торсионно фиксирующей уплотнительное кольцо относительно неподвижного элемента турбомашины.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ВЫПОЛНЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Последующее подробное описание примерных вариантов выполнения приведено со ссылкой на сопроводительные чертежи. Одинаковыми номерами позиций на различных чертежах обозначены одинаковые или подобные элементы. Кроме того, данные чертежи не обязательно выполнены в масштабе. Помимо этого, последующее подробное описание не ограничивает данное изобретение. Вместо этого объем правовой охраны определяется прилагаемой формулой изобретения.

Ссылка в данном описании на «один вариант выполнения» или «вариант выполнения» означает, что конкретный признак, конструкция или характеристика, описанные в отношении варианта выполнения, включены по меньшей мере в один вариант выполнения рассматриваемого изобретения. Таким образом, появление фраз «в одном варианте выполнения» или «в варианте выполнения» в различных местах описания не обязательно относится к тому же варианту выполнения. Кроме того, конкретные свойства, конструкции или характеристики могут быть объединены любым подходящим способом в одном или более вариантах выполнения.

В настоящем описании и прилагаемых чертежах рассматривается центробежный многоступенчатый компрессор, например компрессор для использования в так называемых системах аккумулирования энергии с помощью сжатого воздуха (CAES). Однако специалистам в данной области техники будет понятно, что предложенное в настоящем документе изобретение может быть реализовано и в других турбомашинах с аналогичными техническими проблемами.

На фиг. 1 показан многоступенчатый центробежный компрессор 1, содержащий корпус 3, имеющий вход 5 компрессора и выход 6 компрессора. В корпусе 3 выполнена диафрагма 7. Корпус 3 и диафрагма 7 образуют неподвижную часть компрессора.

В корпусе 3 надлежащим образом установлен вращающийся вал 9. На валу 9 установлены рабочие колеса 11, вращающиеся с указанным валом и управляемые первичным двигателем (не показан), например электродвигателем, турбиной или подобным устройством.

В некоторых вариантах выполнения на валу 9 также установлен балансировочный барабан 13, вращающийся с указанным валом.

Возвратные каналы 15, выполненные в диафрагме 7, обеспечивают направление потока газа, выходящего из каждого рабочего колеса 11, на вход следующего рабочего колеса. Самое нижнее по потоку рабочее колесо (также показано на фиг. 2) проточно сообщается с улиткой 17, где сжатый газ собирается и откуда он поступает на выход 6 компрессора.

Как лучше всего показано на фиг. 2, по меньшей мере некоторые из рабочих колес 11 могут содержать основной диск 11D и покрывной диск 11S, образующий входную кольцевую часть 11Е рабочего колеса. Между дисками 11D и 11S выполнены лопатки 11В, которые образуют каналы в рабочем колесе 11, через которые газ, поступающий в рабочее колесо на входе 11I рабочего колеса, ускоряется и в результате выходит на выходе 11O рабочего колеса.

Между неподвижной диафрагмой 7 и входной кольцевой частью 11Е рабочего колеса выполнено уплотнительное устройство 21. Фиг. 3 иллюстрирует увеличенный вид варианта выполнения уплотнительного устройства одного из рабочих колес 11 компрессора 1. Фиг. 4 иллюстрирует схематический вид в разрезе неподвижного элемента (диафрагмы) 7, входной кольцевой части 11Е и уплотнительного устройства 21.

Уплотнительное устройство 21 может содержать кольцевой уплотнительный элемент 23. В некоторых вариантах выполнения элемент 23 установлен на диафрагме 7 с помощью разнесенных в угловом направлении шпонок 25, которые могут обеспечивать центрирование элемента 23 относительно диафрагмы 7. Устройство 21 установлено на неподвижном элементе, то есть на диафрагме 7, таким образом, что уплотнительное устройство и неподвижный элемент могут перемещаться друг относительно друга в радиальном направлении. Таким образом возможно различное тепловое расширение элемента 23 и неподвижного элемента 7.

В некоторых вариантах выполнения диафрагма 7 содержит гнездо 27, в котором по меньшей мере частично размещен кольцевой уплотнительный элемент 23. Между кольцевым уплотнительным элементом 23 и гнездом 27, выполненным в диафрагме 7, выполнены охлаждающая камера или охлаждающий канал 29. Уплотнительные кромки 23L могут быть выполнены вокруг элемента 23 для уплотнения гнезда 27 диафрагмы 7. Таким образом охлаждающая камера 29 изолирована от пространства, где с возможностью вращения размещено рабочее колесо 11.

Охлаждающая камера 29 проточно сообщается с источником охлаждающей текучей среды. В преимущественных вариантах выполнения охлаждающая камера выполнена в виде части контура охлаждающей текучей среды, так что охлаждающая текучая среда поступает в охлаждающую камеру, проходит через нее и выходит из указанной камеры. Как лучше всего показано на схематическом виде в разрезе на фиг. 4, в некоторых вариантах выполнения по меньшей мере один канал 31 подачи охлаждающей текучей среды проточно сообщается с камерой 29 и подает в указанную камеру охлаждающую текучую среду. Также может быть предусмотрен по меньшей мере один канал 33 выпуска охлаждающей текучей среды, проточно сообщающийся с камерой 29, для выпуска охлаждающей текучей среды после того, как указанная среда прошла через камеру 29.

На фиг. 4 камера 29 и элемент 23 одинаковы по протяженности, т.е. они проходят на 360° вокруг оси рабочего колеса. Таким образом охлаждающая камера 29 проточно сообщается с уплотнительным устройством по всей его кольцевой протяженности. Такая конфигурация является предпочтительной. Однако, в некоторых менее эффективных вариантах выполнения протяженность камеры 29 может быть немного меньше кольцевой протяженности уплотнительного устройства, например камера 29 может быть поделена на две или более под-камеры, разделенные, например, радиальными перегородками, так что общая протяженность камеры 29 может быть немного меньше, например на 10%, кольцевой протяженности устройства 21.

Описанная выше конструкция обеспечивает управляемую подачу и прохождение охлаждающей текучей среды через охлаждающую камеру или охлаждающий канал 29 каждого рабочего колеса 11, для которого выполнена указанная конструкция.

Охлаждающая текучая среда может подаваться по контуру охлаждающей текучей среды, схематически показанному номером 35 на фиг. 3. Контур охлаждающей текучей среды может содержать вентилятор 37, насос или любое другое циркуляционное устройство.

Охлаждающая текучая среда может представлять собой любую текучую среду, подходящую для отвода тепла от уплотнительного устройства 21. В некоторых вариантах выполнения можно использовать несжимаемую, жидкую охлаждающую текучую среду, например диатермическое масло. Такая охлаждающая текучая среда особенно эффективна при отводе тепла путем принудительной конвекции через охлаждающую камеру или канал 29.

В некоторых вариантах выполнения можно использовать газообразную охлаждающую текучую среду. В особенно преимущественных вариантах выполнения используют охлаждающую текучую среду, которая совместима с газом, обрабатываемым компрессором 1. Таким образом любая утечка охлаждающей текучей среды из охлаждающей камеры 29 не будет негативно влиять на обработку газа в компрессоре 1.

Обычно в системах аккумулирования энергии с помощью сжатого воздуха (CAES) или в системах аккумулирования энергии с помощью адиабатически сжатого воздуха (ACAES), в которых компрессор 1 обрабатывает воздух, в качестве хладагента или охлаждающей текучей среды в охлаждающей камере 29 можно использовать окружающий воздух.

Контур 35 охлаждающей текучей среды может быть разомкнут относительно окружающей среды, так что выходящая из камеры 29 охлаждающая текучая среда выпускается в окружающую среду, если это позволяет тип охлаждающей текучей среды и другие соображения, например если в качестве охлаждающей текучей среды используется воздух.

В других вариантах выполнения контур 35 охлаждающей текучей среды может быть замкнут и охлаждающая текучая среда может циркулировать по нему, при этом возможна установка теплообменных устройств для отвода тепла от потока охлаждающей текучей среды после того, как указанный поток вышел из охлаждающей камеры 29.

В преимущественных вариантах выполнения давление охлаждающей текучей среды в камере 29 значительно меньше давления газа, проходящего через компрессор 1. Так как камера 29 может быть изолирована от рабочего колеса 11, можно предотвратить утечку между рабочим колесом и камерой 29, и установить низкое давление в охлаждающей камере 29. Это уменьшает мощность, необходимую для циркуляции охлаждающей текучей среды по контуру 35 и камере 29.

Циркуляция охлаждающей текучей среды по камере 29 и отвод тепла от устройства 21 позволяет управлять радиальным размером и радиальным расширением устройства 21 при запуске и в установившемся режиме работы турбомашины, для обеспечения лучшего управления радиальным зазором между уплотнительным устройством 21 и входной кольцевой частью 11Е рабочего колеса, как будет описано ниже более подробно.

В известных конструкциях, где уплотнительное устройство 21 ограничено диафрагмой 7, радиальный размер кольцевого уплотнительного элемента должен быть выбран так, чтобы обеспечить достаточный зазор при запуске и достаточно малый зазор в установившемся режиме, учитывая, что радиальное расширение колеса 11 при запуске происходит быстрее радиального расширения диафрагмы 7 по причине более высокой тепловой инерции диафрагмы 7 по сравнению с колесом 11.

В следующей Таблице 1 величина радиального зазора в известной машине при запуске и в установившемся режиме указана в миллиметрах, и рассмотрен примерный, неограничивающий вариант выполнения:

Конструкция и размеры уплотнительного устройства выбраны таким образом, что когда машина не работает и находится при температуре внутри помещения, между уплотнительным элементом и подвижным элементом, например входной кольцевой частью рабочего колеса, будет существовать радиальный зазор 0,95 мм.

При запуске входная кольцевая часть 11Е рабочего колеса подвергается радиальному расширению, вызванному, с одной стороны, механической деформацией, вызванной центробежной силой, действующей на входную кольцевую часть 11Е. С другой стороны, входная кольцевая часть 11Е расширяется из-за быстрого повышения температуры. Тепловое расширение особенно значительно на последних ступенях центробежного компрессора 11, показанного на фиг. 1, где обработанный газ, например воздух, достигает высокой температуры, например примерно 400-600°С.

При запуске радиальное расширение неподвижного элемента, представленного диафрагмой 7, происходит намного медленнее радиального расширения рабочего колеса 11, с одной стороны по причине отсутствия центробежных сил, деформирующих неподвижный элемент в радиальном наружном направлении, и с другой стороны потому, что тепловая инерция диафрагмы 7 такова, что тепловое расширение диафрагмы 7 происходит медленнее теплового расширения рабочего колеса 11.

Следовательно, радиальное расширение статора или неподвижного элемента 7 составляет примерно 0,25 мм, в то время как радиальное расширение входной кольцевой части 11Е рабочего колеса составляет 0,70 мм.

Так как уплотнительный элемент 23 ограничен в радиальном направлении диафрагмой, радиальное расширение этого элемента равно радиальному расширению диафрагмы. Следовательно, при начальном радиальном зазоре, равном 0,95 мм, в выключенном состоянии при комнатной температуре, общий зазор во время запуска равен 0,50 мм.

По мере того, как компрессор медленно достигает установившегося режима, температура диафрагмы увеличивается и, следовательно, также увеличивается радиальный размер кольцевого уплотнительного элемента. Во втором столбце Таблицы 1 радиальное расширение входной кольцевой части 11Е рабочего колеса в установившемся режиме указано равным 0,25 мм, в то время как радиальное расширение диафрагмы равно 0,75 мм. Следовательно, общий радиальный зазор в установившемся режиме равен 0,85 мм. Такой относительно большой радиальный зазор вызывает уменьшение коэффициента полезного действия машины. Меньший радиальный зазор в установившемся режиме не может быть использован, так как это потребовало бы меньшего зазора при запуске с последующим риском фрикционного контакта между входной кольцевой частью рабочего колеса и кольцевым уплотнительным элементом во время запуска по причине более медленного радиального расширения диафрагмы и кольцевого уплотнительного элемента по сравнению с радиальным расширением рабочего колеса.

Предложенное в настоящем документе устройство охлаждения и регулировки температуры уплотнительного элемента устраняет или по меньшей мере уменьшает указанную выше проблему, что приводит к меньшему радиальному зазору в установившемся режиме, как показано в Таблице 2.

Таблица 2 иллюстрирует величину радиального зазора между входной кольцевой частью 11Е рабочего колеса и кольцевым уплотнительным элементом 23 в конструкции согласно настоящему описанию и в примерном варианте выполнения. Величина зазора указана в мм. Когда компрессор выключен и находится при комнатной температуре, радиальный зазор между кольцевым уплотнительным элементом 23 и входной кольцевой частью 11Е рабочего колеса снова равен 0,95 мм. Радиальное расширение входной кольцевой части 11Е во время запуска снова равно 0,70 мм и обусловлено механической радиальной деформацией, вызванной центробежными силами, и также обусловлено тепловым расширением. Радиальное расширение диафрагмы 7 снова равно 0,25 мм, и в результате общий радиальный зазор при запуске равен 0,50 мм. Заданы те же условия, что и в известном компрессоре (Таблица 1), где не используется регулировка зазора и регулировка температуры уплотнения.

Однако при достижении установившегося режима работы охлаждающая текучая среда, проходящая через охлаждающую камеру 29 может отводить тепло от уплотнительного устройства 21, тем самым уменьшая радиальное расширение, вызванное тепловым расширением кольцевого уплотнительного элемента 23. В показанном в Таблице 2 примере предполагается, что охлаждение уплотнительного устройства 21 достаточно эффективно чтобы уменьшить радиальное расширение кольцевого уплотнительного элемента 23 до нуля. Следовательно, общий радиальный зазор между кольцевым уплотнительным элементом 23 и входной кольцевой частью 11Е рабочего колеса становится 0,10 мм, что меньше общего радиального зазора (0,85 мм) в компрессоре существующего уровня техники (Таблица 1) при одинаковых условиях установившегося режима работы. Уменьшенный общий радиальный зазор в установившемся режиме значительно увеличивает общий коэффициент полезного действия компрессора 1.

Полезный эффект регулировки температуры уплотнительного устройства, рассмотренный в настоящем документе на примере уплотнительного устройства входной кольцевой части рабочего колеса, может также использоваться в других частях компрессора 1, например для уменьшения зазора между балансировочным барабаном 13 и расположенным вокруг него уплотнением. На увеличенном виде на фиг. 2 показано уплотнительное устройство 41, действующее на балансировочный барабан 13. Уплотнительное устройство 41 может содержать кольцевой уплотнительный элемент 43. Кольцевой уплотнительный элемент 43 может быть установлен на неподвижном элементе, который в данном случае обозначен номером 17А и является частью спиральной камеры 17. Охлаждающая камера 45 может быть выполнена между кольцевым уплотнительным элементом 43 и неподвижным элементом 17А.

Охлаждающая камера 45 может быть выполнена, например, между кольцевой канавкой 43G, выполненной в кольцевом уплотнительном элементе 43, и кольцевым выступом 17Е, выполненном на неподвижном элементе 17А. Уплотнения 47 могут быть выполнены вокруг канавки 43G для уплотнения охлаждающей камеры или канала 45.

В других вариантах выполнения в неподвижном элементе 17А может быть выполнено гнездо для кольцевого уплотнительного элемента 43, аналогичное гнезду 27.

В некоторых вариантах выполнения канал 49 подачи охлаждающей текучей среды подает охлаждающую текучую среду от источника охлаждающей текучей среды, например показанного на фиг. 3 вентилятора 37, в камеру 45 с прохождением указанной среды через указанную камеру. Аналогичный каналу 33 канал выпуска охлаждающей текучей среды, не показан, может быть выполнен для выпуска охлаждающей текучей среды из камеры 45.

Охлаждающая камера 45 и соответствующее устройство подачи охлаждающей текучей среды обеспечивают регулировку температуры кольцевого уплотнительного элемента 43 таким же точно образом, как изложено выше применительно к уплотнительному устройству 21 входной кольцевой части рабочего колеса.

Охлаждение кольцевого уплотнительного элемента 43 обеспечивает управление зазором между балансировочным барабаном 13 и неподвижным элементом 17А, что дополнительно способствует увеличению коэффициента полезного действия компрессора 1.

Фиг. 5 и фиг. 6 иллюстрируют еще один вариант выполнения уплотнительного устройства входной кольцевой части 11Е рабочего колеса 11 компрессора. Одинаковыми номерами позиций обозначены элементы одинаковые или аналогичные элементам, показанным на фиг. 3.

Между диафрагмой 7 и входной кольцевой частью 11Е рабочего колеса выполнено уплотнительное устройство 21. В показанном варианте выполнения устройство 21 содержит кольцевой уплотнительный элемент 23. В некоторых вариантах выполнения элемент 23 установлен на диафрагме 7 с помощью разнесенных в угловом направлении шпонок 25, которые могут обеспечивать центрирование уплотнительного элемента 23 относительно диафрагмы 7. Фиг. 5 иллюстрирует вид в разрезе по радиальной плоскости, где показана шпонка 25, проходящая в паз 26 неподвижного элемента 7, обеспечивая центрирование и торсионное соединение между уплотнительным устройством 21 и неподвижным элементом или диафрагмой 7.

В некоторых вариантах выполнения диафрагма 7 содержит гнездо 27, в котором по меньшей мере частично размещен кольцевой уплотнительный элемент 23. Охлаждающая камера или охлаждающий канал 29 выполнен между уплотнительной поверхностью 23S элемента 23 и гнездом 27. В варианте выполнения, показанном на фиг. 5 и фиг. 6, охлаждающая камера выполнена внутри уплотнительного элемента 23 (см. в частности фиг. 6).

Вокруг уплотнительного элемента 23 расположены уплотнительные прокладки 23L, действующие на противоположные поверхности диафрагмы 7. В показанном на фиг. 5 и фиг. 6 варианте выполнения уплотнительные прокладки размещены в кольцевых канавках, выполненных в гнезде диафрагмы 7. В других вариантах выполнения уплотнительные прокладки или другие средства уплотнения могут быть размещены в кольцевых канавках, выполненных в боковых поверхностях кольцевого уплотнительного элемента 23. Охлаждающая камера 29 уплотнения уплотнительными прокладками 23L от пространства, где с возможностью вращения размещено рабочее колесо 11.

Как изложено со ссылкой на фиг. 3, охлаждающая камера 29 проточно сообщается с источником охлаждающей текучей среды. В преимущественных вариантах выполнения охлаждающая камера выполнена в виде части контура охлаждающей текучей среды, так что охлаждающая текучая среда поступает в охлаждающую камеру, проходит через нее и выходит из указанной камеры. В некоторых вариантах выполнения по меньшей мере один канал 31 подачи охлаждающей текучей среды проточно сообщается с камерой 29 и подает в указанную камеру охлаждающую текучую среду. Также может быть предусмотрен по меньшей мере один канал 33 выпуска охлаждающей текучей среды, проточно сообщающийся с камерой 29, для выпуска охлаждающей текучей среды после того, как указанная среда прошла через камеру 29.

В показанном на фиг. 5 и фиг. 6 варианте выполнения кольцевой уплотнительный элемент 23 имеет по существу трубчатую, то есть полую конструкцию с полым сечением (фиг. 6). Одна стенка полой конструкции может иметь одно или более отверстий 28А для впуска охлаждающей текучей среды и отверстий 28В для выпуска охлаждающей текучей среды, проточно сообщающихся с одним или более каналом (каналами) 31 подачи охлаждающей текучей среды и одним или более каналом (каналами) 33 выпуска охлаждающей текучей среды. Для более эффективной циркуляции охлаждающей текучей среды в охлаждающей камере 29, выполненной внутри полого элемента 23, в пустой полости элемента 23 могут быть выполнены перегородки 23Р. Перегородки 23Р могут проходить кольцеобразно внутри камеры 29 и выступать от противоположных цилиндрических стенок элемента 23, с обеспечением образования подобия лабиринтной конструкции для лучшей циркуляции охлаждающей текучей среды и усиленного отвода тепла.

Несмотря на то, что предложенные варианты выполнения описанного в настоящем документе изобретения были показаны на чертежах и полностью описаны выше с подробностями и деталями на примере нескольких примерных вариантов выполнения, специалистам в данной области будет очевидно, что возможно выполнение многих модификаций, изменений и опущений без существенного отклонения от новой идеи, принципов и замысла, изложенных в настоящем документе, и от преимуществ изобретения, изложенного в прилагаемой формуле. Таким образом, должный объем изложенного новшества должен определяться только путем самого широкого толкования прилагаемой формулы, так чтобы охватывать все такие модификации, изменения и опущения. Различные признаки, конструкции и средства разных вариантов выполнения можно разными способами комбинировать.

Турбомашина (1) содержит неподвижный элемент (7), вращающийся элемент (11), с возможностью вращения установленный в неподвижном элементе (7), и уплотнительное устройство (21) между вращающимся элементом и неподвижным элементом. Также предусмотрено охлаждающее устройство, выполненное с обеспечением подачи охлаждающей текучей среды к указанному уплотнительному устройству и отвода тепла от указанного уплотнительного устройства. 2 н. и 18 з.п. ф-лы, 6 ил., 2 табл.

1. Турбомашина, содержащая:

неподвижный элемент,

вращающийся элемент, с возможностью вращения установленный в указанном неподвижном элементе,

кольцевое уплотнение, расположенное между указанным вращающимся элементом и указанным неподвижным элементом и имеющее уплотнительную поверхность, обращенную к вращающемуся элементу, и

охлаждающую камеру, выполненную с возможностью теплового контакта с кольцевым уплотнением, при этом охлаждающая камера имеет стенку, расположенную между охлаждающей камерой и уплотнительной поверхностью кольцевого уплотнения, и выполнена с возможностью обеспечения циркуляции охлаждающей текучей среды через камеру для отвода тепла от кольцевого уплотнения для изменения теплового расширения кольцевого уплотнения.

2. Турбомашина по п. 1, в которой кольцевое уплотнение содержит по меньшей мере часть охлаждающей камеры.

3. Турбомашина по п. 2, в которой неподвижный элемент также содержит по меньшей мере один канал подачи охлаждающей текучей среды, проточно сообщающийся с охлаждающей камерой и предназначенный для подачи охлаждающей текучей среды в указанную камеру.

4. Турбомашина по п. 3, в которой неподвижный элемент также содержит по меньшей мере один канал выпуска охлаждающей текучей среды, проточно сообщающийся с охлаждающей камерой и предназначенный для выпуска охлаждающей текучей среды из указанной камеры.

5. Турбомашина по п. 2, в которой неподвижный элемент содержит гнездо для установки кольцевого уплотнения.

6. Турбомашина по п. 5, в которой кольцевое уплотнение и гнездо выполнены с возможностью взаимного радиального перемещения.

7. Турбомашина по п. 5, в которой охлаждающая камера расположена кольцевым образом между кольцевым уплотнением и указанным гнездом так, что кольцевое уплотнение и неподвижный элемент формируют охлаждающую камеру.

8. Турбомашина по п. 5, в которой указанная охлаждающая камера выполнена в указанном кольцевом уплотнении.

9. Турбомашина по п. 5, в которой между кольцевым уплотнением и гнездом неподвижного элемента расположены уплотнительные прокладки.

10. Турбомашина по п. 1, в которой вращающийся элемент содержит рабочее колесо.

11. Турбомашина по п. 10, в которой рабочее колесо содержит основной диск, покрывной диск, входную кольцевую часть и лопатки, размещенные между основным диском и покрывным диском рабочего колеса с образованием каналов рабочего колеса, причем кольцевое уплотнение расположено вокруг входной кольцевой части рабочего колеса и предназначено для уплотнения указанной входной кольцевой части относительно неподвижного элемента.

12. Турбомашина по п. 10, в которой вращающийся элемент содержит балансировочный барабан, при этом кольцевое уплотнение расположено вокруг балансировочного барабана и предназначено для уплотнения балансировочного барабана относительно неподвижного элемента.

13. Турбомашина по п. 8, в которой кольцевое уплотнение выполнено полым для формирования охлаждающей камеры.

14. Турбомашина по п. 13, в которой охлаждающая камера выполнена по существу трубчатой.

15. Турбомашина по п. 13, в которой охлаждающая камера внутри себя дополнительно включает перегородки для формирования лабиринтной конструкции.

16. Турбомашина по п. 15, в которой охлаждающая камера включает по меньшей мере одно отверстие для впуска охлаждающей текучей среды и по меньшей мере одно отверстие для выпуска охлаждающей текучей среды.

17. Турбомашина по п. 16, в которой неподвижный элемент дополнительно содержит:

по меньшей мере один канал подачи охлаждающей текучей среды, проточно сообщающийся с указанным по меньшей мере одним отверстием для впуска охлаждающей текучей среды, и

по меньшей мере один канал выпуска охлаждающей текучей среды, проточно сообщающийся с охлаждающей камерой, для выпуска охлаждающей текучей среды из указанной камеры.

18. Способ регулировки уплотнительного зазора в турбомашине между вращающимся элементом турбомашины и кольцевым уплотнением, взаимодействующим с указанным вращающимся элементом, включающий:

обеспечение управляемой циркуляции охлаждающей жидкости через охлаждающую камеру, выполненную с возможностью теплового контакта с кольцевым уплотнением, для отведения тепла от кольцевого уплотнения для регулирования теплового расширения кольцевого уплотнения во время работы турбомашины.

19. Способ по п. 18, дополнительно включающий:

подачу охлаждающей текучей среды в охлаждающую камеру через по меньшей мере один канал подачи охлаждающей текучей среды; и

выпуск охлаждающей среды из охлаждающей камеры через по меньшей мере один канал выпуска охлаждающей текучей среды.

20. Способ по п. 18, дополнительно включающий уплотнение охлаждающей камеры относительно объема, в котором расположен вращающийся элемент.