СОТОВОЕ УПЛОТНЕНИЕ ТУРБОМАШИНЫ Российский патент 2020 года по МПК F01D11/02 F16J15/44 

Изобретение относится к сотовым уплотнениям турбомашин и может быть использовано для повышения их надежности.

Известно сотовое уплотнение радиального зазора турбомашины (см. патент на полезную модель RU 31814, МПК F01D 11/02, опубликован 27.08.2013), содержащее установленную в корпусе статора обойму, сегменты с сотовыми блоками и уплотнительные гребни ротора. Сегменты закреплены в обойме. Сотовые блоки закреплены в сегментах посредством пайки. Уплотнительные гребни ротора образуют дросселирующий зазор с внутренней цилиндрической поверхностью сотового блока. Уплотнительные гребни на валу ротора выполнены утолщенными с острой передней кромкой и кольцевой проточкой на вершине, имеющей глубину до 25% высоты гребешка, вершина уплотнительного гребешка имеет наклон 10÷15º против направления течения основного потока рабочей среды.

Часть рабочей среды, попадая на конусную поверхность кольцевой проточки, изменяет свое направление и выбрасывается в дросселирующий зазор против течения основного потока. Проникновение рабочей среды в пространство сотового блока возрастает и приводит к образованию дополнительных вихрей. Аэродинамическое сопротивление дросселирующего зазора увеличивается, а расход рабочей среды через уплотнение уменьшается, обеспечивая увеличение коэффициента полезного действия (КПД) турбины.

Недостаток известного сотового уплотнения заключается в том, что дросселирующий зазор сотового уплотнения не защищен от попадания инородных частиц, движущихся в потоке рабочей среды. Исключить загрязнение рабочей среды в условиях эксплуатации, как правило, не удается. Содержащиеся в рабочей среде инородные частицы, попадая между гребнями ротора и сотовыми блоками, подвергают их интенсивному разрушению. КПД и эффективность эксплуатации турбомашины снижаются. При работе с «грязной» рабочей средой известное сотовое уплотнение ограничивает надежность турбомашины.

В качестве прототипа принято сотовое уплотнение паровой турбины (см. патент на изобретение RU 2150627, МПК F16J 15/447, опубликован: 10.06.2000), содержащее установленную в корпусе статора обойму, сегменты с сотовыми блоками и уплотнительные гребни ротора. Сегменты закреплены в обойме и оснащены уплотнительными гребнями. Сотовые блоки закреплены в сегментах между уплотнительными гребнями посредством пайки. Уплотнительные гребни ротора образуют дросселирующие зазоры с внутренней цилиндрической поверхностью сотовых блоков. Уплотнительные гребни сегментов образуют дросселирующие зазоры с наружной цилиндрической поверхностью ротора.

В известной конструкции реализовано ступенчатое течение дросселируемой рабочей среды с многократным изменением направления потока и дополнительным аэродинамическим сопротивлением на сотовых блоках за счет течения через зазоры с разными проходными сечениями.

При эксплуатации турбомашины с «чистой» рабочей средой острые кромки гребней ротора прорезают сотовые блоки на глубину радиального и длину осевого перемещений ротора. Для допустимых перемещений ротора выработка сотовых блоков также сохраняется в допустимых пределах. Сотовые блоки с допустимой выработкой обеспечивают надежное уплотнение при незначительном снижении экономичности турбомашины.

Надежность сотового уплотнения и экономичность турбомашины снижаются при попадании в рабочую среду инородных частиц. При эксплуатации турбомашины с «грязной» рабочей средой инородные частицы попадают в дросселирующий зазор между гребнями сегментов и наружной цилиндрической поверхностью ротора, теряют часть кинетической энергии и измельчаются до частиц соизмеримых с размером зазора. В дросселирующем зазоре между гребнями ротора и сотовыми блоками крупные инородные частицы сминают соты и застревают в них. Трение гребней ротора о твердые инородные частицы сопровождается их прогрессирующим износом и дальнейшим смятием сотовых блоков. При значительном загрязнении рабочей среды гребни ротора и сотовые блоки разрушаются по всей окружности. Наиболее поврежденным оказывается первый по ходу рабочей среды гребень ротора и ближайшие к нему сотовые блоки. На последующих гребнях и сотовых блоках уровень повреждений снижается по мере уменьшения количества и размеров инородных частиц, которые теряют свою кинетическую энергию и оседают в застойных зонах статора (см. Сахнин Ю.А., Ушинин С.В., Голованов О.А. Опыт эксплуатации турбин типа Т-100-130. Электрические станции. – 2014. № 12. С.9 7-11).

Задача, решаемая изобретением - защита дросселирующих зазоров сотового уплотнения турбомашины от инородных частиц посредством их дробления и отвода от дросселирующего зазора.

Технический результат от использования изобретения заключается в увеличении периода эксплуатации турбомашины с допустимыми значениями КПД и снижении затрат на эксплуатацию и ремонт сотовых уплотнений.

Изобретение может быть реализовано в несколько исполнениях.

1-е исполнение.

Сотовое уплотнение турбомашины содержит установленную в корпусе статора обойму, сегменты с сотовыми блоками и уплотнительные гребни ротора. Сегменты закреплены в обойме и оснащены уплотнительными гребнями. Сотовые блоки закреплены в сегментах между уплотнительными гребнями посредством пайки. Уплотнительные гребни ротора образуют дросселирующие зазоры с внутренней цилиндрической поверхностью сотовых блоков. Уплотнительные гребни сегментов образуют дросселирующие зазоры с наружной цилиндрической поверхностью ротора.

Для решения поставленной задачи уплотнительные гребни обоймы и сотовые блоки разделены кольцевыми каналами для осаждения инородных частиц. Попадая в кольцевой канал, инородные частицы теряют кинетическую энергию и оседают в кольцевых каналах нижних сегментов, где накапливаются до периодического обслуживания или ремонта. Накапливая инородные частицы кольцевые каналы предохраняют сотовые блоки и гребни от разрушения.

Дальнейшее улучшение сотового уплотнения турбомашины достигается в следующих исполнениях, которые применяются для последовательной доработки ранее изготовленных изделий.

2-е исполнение.

Сотовое уплотнение турбомашины в 1-м исполнении, отличающееся тем, что в дне кольцевых каналов выполнены внутренние шламовые* полости в виде глухих отверстий для захвата и концентрации инородных частиц (*шлам - смесь инородных частиц различного происхождения).

Внутренние шламовые полости накапливают инородные частицы до периодической очистки или ремонта.

3-е исполнение.

Сотовое уплотнение турбомашины в 1-м или 2-м исполнении, отличающееся тем, что на наружной цилиндрической поверхности сегмента выполнены наружные шламовые полости, которые соединены отверстием с кольцевыми каналами.

Осадок инородных частиц под действием вибрации и массовых сил перемещается из кольцевых каналов и внутренних шламовых полостей через соединяющие отверстия в наружные шламовые полости, где накапливаются до периодической очистки или ремонта.

4-е исполнение.

Сотовое уплотнение турбомашины в 3-м исполнении, отличающееся тем, что отверстие, соединяющее шламовую полость с кольцевыми каналами, выполнено с диаметром, величина которого больше величины минимального дросселирующего зазора между гребнем обоймы и поверхностью ротора и меньше удвоенной величины этого зазора.

Ограничение диаметра соединительного отверстия предотвращает увеличение расхода рабочей среды в сотовом уплотнении и снижение КПД турбомашины.

5-е исполнение.

Сотовое уплотнение турбомашины в одном из исполнений 2-4, отличающееся тем, что в кольцевом канале на входе соединительного отверстия выполнен уступ для лучшего захвата инородных частиц.

Уступ используется для гашения кинетической энергии инородных частиц и направления их в соединительное отверстие и наружную шламовую полость.

6-е исполнение.

Сотовое уплотнение турбомашины в одном из исполнений 1-5, отличающееся тем, что по меньшей мере один уплотнительный гребень сегмента выполнен с переменной высотой и образует с наружной поверхностью ротора клинообразный зазор.

Клинообразный зазор предназначен для захвата и перемалывания крупных инородных частиц между гребнем обоймы и наружной поверхностью ротора. Перемалывание крупных инородных частиц предотвращает их попадание на поверхность сотовых блоков.

7-е исполнение.

Сотовое уплотнение турбомашины в одном из исполнений 1-6, отличающийся тем, что ротор оснащен, по меньшей мере, одним шламоотражающим гребнем, отражающим инородные частицы от дросселирующих зазоров между уплотнительными гребнями ротора и внутренней цилиндрической поверхностью сотовых блоков.

Шламоотражающий гребень защищает сотовые блоки и уплотнительные гребни от износа и разрушения инородными частицами.

8-е исполнение.

Сотовое уплотнение турбомашины в 7-м исполнении, отличающееся тем, что шламоотражающий гребень выполнен с вогнутой поверхностью, которая направляет инородные частицы в кольцевые каналы.

Вогнутая поверхность шламоотражающего гребня придает инородным частицам встречно-поперечное движение относительно потока рабочей среды, снижает их кинетическую энергию и ускоряет процесс вывода из уплотнения.

9-е исполнение.

Сотовое уплотнение турбомашины в одном из исполнений 2-8, отличающееся тем, что внешние шламовые полости соединены трубопроводом с системой очистки.

Система очистки обеспечивает удаление шлама, например, посредством промывки, продувки и инжекции, без вывода турбомашины из эксплуатации.

Наиболее предпочтительная конструкция сотового уплотнения турбомашины содержит признаки всех исполнений и предназначена для новых моделей турбомашин.

На фиг. 1 представлен общий вид предпочтительной конструкции сотового уплотнения турбомашины. На фиг. 2 показан разрез А-А на фиг. 1.

Сотовое уплотнение турбомашины содержит установленную в корпусе статора обойму 1, сегменты 2 с сотовыми блоками 3 и уплотнительные гребни 4 ротора 5. Сегменты 2 закреплены в обойме 1 и оснащены уплотнительными гребнями 6. Сотовые блоки 3 закреплены в сегментах 2 между уплотнительными гребнями 6 посредством пайки. Уплотнительные гребни 4 ротора образуют дросселирующие зазоры с внутренней цилиндрической поверхностью сотовых блоков 3. Уплотнительные гребни 6 сегментов образуют дросселирующие зазоры с наружной цилиндрической поверхностью ротора 5.

Уплотнительные гребни 6 сегмента и сотовые блоки 3 разделены кольцевыми каналами 7 для осаждения инородных частиц.

В дне кольцевых каналов выполнены внутренние шламовые полости 8 в виде глухих отверстий для захвата и концентрации инородных частиц.

На наружной цилиндрической поверхности сегментов 3 выполнены наружные шламовые полости 9, которые соединены отверстием 10 с кольцевыми каналами 7.

Отверстие 10 выполнено с диаметром, величина которого больше минимальной величины дросселирующего зазора между гребнем обоймы и поверхностью ротора и меньше удвоенной величины этого зазора.

В кольцевом канале 7 на входе соединительного отверстия 10 выполнен уступ 11 для захвата инородных частиц.

Уплотнительный гребень 6 сегмента 3 выполнен с переменной высотой и образует с наружной поверхностью ротора клинообразный зазор 12.

Ротор 5 оснащен шламоотражающими гребнями 13, отражающими инородные частицы от дросселирующих зазоров между уплотнительными гребнями ротора 4 и внутренней цилиндрической поверхностью сотовых блоков 3.

Шламоотражающий гребень 13 выполнен с вогнутой поверхностью, которая направляет инородные частицы в кольцевые каналы.

Наружные шламовые полости 9 выполнены в виде канавок и соединены трубопроводом 14 с системой очистки 15.

Сотовое уплотнение турбомашины работает следующим образом.

Поток рабочей среды поступает в дросселирующий зазор между уплотнительным гребнем 6 сегмента и наружной поверхностью ротора 5. Крупные инородные частицы 16 захватываются широкой частью клинообразного зазора 12 и втягиваются наружной поверхностью ротора 5 в узкую часть зазора. Крупные инородные частицы дробятся в клинообразном зазоре и теряют часть кинетической энергии. Дробленые и не подвергшиеся дроблению частицы поступают в вихревую камеру между уплотнительными гребнями сегмента и ротора. В результате завихрения потока инородные частицы выпадают из основного вихря в кольцевой канал 7 между уплотнительными гребнями 6 сегментов и сотовыми блоками 3. В узком кольцевом канале 7 инородные частицы теряют осевую составляющую своей скорости и оседают в нижней части канала.

Инородные частицы, прошедшие первую вихревую камеру и дросселирующий зазор между уплотнительными гребнями 5 ротора и внутренней цилиндрической поверхностью сотовых блоков 4, осаждаются в кольцевых каналах 7 и внутренних шламовых полостях 8 последующих вихревых камер.

Осадок инородных частиц под действием вибрации и массовых сил перемещается из кольцевых каналов 7 и внутренних шламовых полостей 8 через отверстия 10 во внешние шламовые полости 9.

Уступ 11 захватывает движущиеся инородные частицы и также направляет их в соединительное отверстие 10 и внешнюю шламовую полость 9.

Шламоотражающие гребни 13 направляют инородные частицы в кольцевые каналы 7. Вогнутая поверхность шламоотражающего гребня придает инородным частицам встречно-поперечное движение к потоку рабочей среды, чем снижает кинетическую энергию инородных частиц. Через трубопроводы 14 система очистки 15 удаляет шлам из шламовых полостей, например, посредством промывки, продувки или инжекции, без вывода турбомашины из эксплуатации.

Производство сотового уплотнения турбомашины реализовано в условиях металлообрабатывающего завода. Промышленная применимость сотового уплотнения турбомашины подтверждена стендовыми испытаниями.

Изобретение относится к сотовому уплотнению турбомашины, которое содержит установленную в корпусе статора обойму, сегменты с сотовыми блоками и уплотнительные гребни ротора. Сегменты закреплены в обойме и оснащены уплотнительными гребнями. Сотовые блоки закреплены в сегментах между уплотнительными гребнями посредством пайки. Уплотнительные гребни ротора образуют дросселирующие зазоры с внутренней цилиндрической поверхностью сотовых блоков. Уплотнительные гребни сегментов образуют дросселирующие зазоры с наружной цилиндрической поверхностью ротора. Уплотнительные гребни сегмента и сотовые блоки разделены кольцевыми каналами для осаждения инородных частиц. Технический результат от использования изобретения заключается в увеличении периода эксплуатации турбомашины с допустимыми значениями КПД и снижении затрат на эксплуатацию и ремонт сотовых уплотнений. 8 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Сотовое уплотнение турбомашины, содержащее установленную в корпусе статора обойму, сегменты с сотовыми блоками и уплотнительные гребни ротора, сегменты закреплены в обойме и оснащены уплотнительными гребнями, сотовые блоки закреплены в сегментах между уплотнительными гребнями посредством пайки, уплотнительные гребни ротора образуют дросселирующие зазоры с внутренней цилиндрической поверхностью сотовых блоков, уплотнительные гребни сегментов образуют дросселирующие зазоры с наружной цилиндрической поверхностью ротора, отличающееся тем, что уплотнительные гребни обоймы и сотовые блоки разделены кольцевыми каналами для осаждения инородных частиц.

2. Сотовое уплотнение турбомашины по п. 1, отличающееся тем, что в дне кольцевых каналов выполнены внутренние шламовые полости в виде глухих отверстий для захвата и концентрации инородных частиц.

3. Сотовое уплотнение турбомашины по п. 2, отличающееся тем, что на наружной цилиндрической поверхности сегмента выполнены наружные шламовые полости, которые соединены отверстием с кольцевыми каналами.

4. Сотовое уплотнение турбомашины по п. 3, отличающееся тем, что отверстие, соединяющее шламовую полость с кольцевыми каналами, выполнено с диаметром, величина которого больше минимальной величины дросселирующего зазора между гребнем обоймы и поверхностью ротора и меньше удвоенной величины этого зазора.

5. Сотовое уплотнение турбомашины по одному из пп. 3, 4, отличающееся тем, что в кольцевом канале на входе соединительного отверстия выполнен уступ для захвата инородных частиц.

6. Сотовое уплотнение турбомашины по одному из пп. 1-5, отличающееся тем, что по меньшей мере один уплотнительный гребень сегмента выполнен с переменной высотой и образует с наружной поверхностью ротора клинообразный зазор.

7. Сотовое уплотнение турбомашины по одному из пп. 1-6, отличающееся тем, что ротор оснащен по меньшей мере одним шламоотражающим гребнем, отражающим инородные частицы от дросселирующих зазоров между уплотнительными гребнями ротора и внутренней цилиндрической поверхностью сотовых блоков.

8. Сотовое уплотнение турбомашины по п. 7, отличающееся тем, что шламоотражающий гребень выполнен с вогнутой поверхностью, которая направляет инородные частицы в кольцевые каналы.

9. Сотовое уплотнение турбомашины по одному из пп. 3-8, отличающееся тем, что внешние шламовые полости соединены трубопроводом с системой очистки.