CZ20021454A3 - Zařízení pro kompenzaci axiálního posunu u turbostrojů - Google Patents

Description

Oblast techniky

Vynález se týká zařízení pro kompenzaci axiálního posunu u turbostrojů, s radiálním těsněním, působícím mezi rotorem a skříní turbostroje, s axiálním těsněním, působícím mezi rotorem a skříní, s vyrovnávacím pístem, upevněným na rotoru, přičemž vyrovnávací píst, skříň, radiální těsnění a axiální těsnění vymezují vyrovnávací komoru a axiální šířka štěrbiny axiálního těsnění je měnitelná analogicky k axiálnímu posunu rotoru, podmíněnému provozem, a s vyrovnávacím potrubím pro vyrovnávání tlaku mezi nízkotlakou oblastí turbostroje a zařízením pro kompenzaci axiálního posunu.

Dosavadní stav techniky

Takovýmto všeobecně známým zařízením mají být za použití vyrovnávacího pístu kompenzovány axiální síly, vznikající v turbostroji. Takovéto; axiální síly vznikají jak u turbín, tak i u kompresorů. Ke zlepšení vyrovnávání sil je uspořádáno více vyrovnávacích pístů ve stupňovitém uspořádání. Chování jednotlivých stupňů parní turbíny se zohledňuje tím, že je uspořádáno více prstencových ploch, které jsou ovládány příslušnými tlaky, vyskytujícími se v jednotlivých stupních. K tomu účelu je zapotřebí vyrovnávacích potrubí od skupin stupňů, a kromě toho musí být chování stupňů modelováno vhodnými těsněními. Tímto nákladným uspořádáním je sice vyrovnávání posunu možné. Ovšem zásadně je zapotřebí ještě konvenčního axiálního ložiska.

Ze spisu DE-GM 17 01 436 je známo zařízení ke kompenzaci axiálních sil, vytvořené jako pomocné zařízení, které je k dispozici doplňkově k axiálnímu ložisku. V normálním provozu zachycuje axiální síly opěrné ložisko. Jen při přetížení opěrného ložiska, to znamená při velkých axiálních posunech turbostroje, se aktivuje zařízení pro částečnou kompenzaci axiálních sil.

Ze spisu DE C 541 079 je známa parní turbína, u které se částečného vyrovnání axiálních sil dosahuje pomocí vyrovnávacího pístu. Přitom se prostor, vymezený vyrovnávacím pístem, axiálním těsněním a radiálním těsněním, spojí s nižším stupněm nebo kondenzátorem. Aby se zabránilo poškozování těsnění, především při chodu turbíny naprázdno a při nestacionárních provozních stavech, je požadováno zařízení, které odsune rotor parní turbíny pomocí vnějších sil od těsnění.

Ze spisu DE 44 22 594, podaného pro stejnou přihlašovatelku, je známa kondenzační turbína s alespoň dvěma kluznými prstencovými těsněními pro utěsnění skříně turbíny, u které je štěrbina mezi kluzným prstencem a spolupůsobícím prstencem, obíhajícím s rotorem, nezávislá na tepelném roztahování kondenzační turbíny. Vznikající podélné změny se vyrovnávají tím, že se spolupůsobící prstenec, ovládaný pružinou, přitláčuje proti kluznému prstenci,; Proto se nemohou axiální síly uspořádáním, známým ze spisu DE 44 22 594, samočinně vyregulovávat. To se realizuje přes vyrovnávací potrubí od odpařovací strany kondenzační turbíny k prostoru, vymezenému dvěma kluznými prstencovými těsněními, a vyrovnávacím pístem. Kromě toho potřebuje tato kondenzační turbína alespoň jedno axiální ložisko pro zachycování nekompenzovaných axiálních posunů.

Ze spisu WO 99/30007 je známa turbína s vyrovnávacím pístem, u které je na vyrovnávacím pístu uspořádáno kartáčové těsnění.

• · • · · · · ·

Úkolem vynálezu je navrhnout zařízení výše uvedeného druhu, které při jednoduché konstrukci, a bez znatelných škod umožní při efektivnosti .turbqstroje co možná úplnou kompenzaci axiálního posunu.

Podstata vynálezu

Tento úkol řeší zařízení pro kompenzaci axiálního posunu u turbostrojů podle vynálezu, které má mezi boční plochou vyrovnávacího pístu a skříní uspořádáno axiální těsnění, jehož axiální šířka štěrbiny je adekvátně k axiálnímu posunu oběžného kola, podmíněnému provozem, měnitelná. Axiální píst se ovládá tlakem, vyskytujícím se v závislosti na axiální šířce štěrbiny ve vyrovnávací komoře. Zařízení podle vynálezu vyžaduje jen prstencový prostor, vymezený axiálním těsněním, radiálním těsněním, skříní a vyrovnávacím pístem, další prostor, vymezený rotorem a skříní, a vyrovnávací potrubí. Axiálního ložiska není zapotřebí. Navzdory této jednoduché konstrukci dochází při všech provozních stavech turbostroje k úplné kompenzaci axiálních sil.

Samotný nepatrný axiální posun oběžného kola vede pomocí vyrovnávacího pístu, spojeného rovněž s rotorem, ke změně šířky štěrbiny v axiálním směru. Tím vyvolané působení těsnicího účinku axiálního těsnění mění také tlak, působící na plochu pístu. Uspořádání těsnění podle vynálezu vede k automatické regulaci tlaku na této ploše, u které se samočinně nastavuje axiální poloha oběžného kola, a dochází k úplné kompenzaci axiálních sil oběžných kol axiální silou vyrovnávacího pístu. Pro toto samo se regulující vyrovnávání posunu je zapotřebí použít axiální těsnění s vynikajícím těsnicím účinkem, protože jinak jsou axiální pohyby rotoru příliš velké.

Příslušný průměr axiálního těsnění a radiálního těsnění se volí v závislosti na funkčním průměru turbostroje.

• · • ·

Při správné volbě těchto parametrů se při extrémně malé axiální štěrbině axiálního těsnění nastaví ve vyrovnávací komoře téměř vstupní tlak turbostroje, zatímco při velké štěrbině působí ve vyrovnávací komoře na základě vyrovnávacího potrubí koncový tlak turbostroje. Tím jsou pokryty i extrémní hodnoty možných posouvacích sil.

Aby mohlo dojít ke kompenzaci všech možných posouvacích sil, jsou těsnicí účinky axiálního těsnění a radiálního těsnění vůči sobě sladěny.

Axiální těsnění je výhodně vytvořeno jako kluzné prstencové těsnění nebo jako kartáčové těsnění. Použití kluzného prstencového těsnění nebo kartáčového těsnění poskytuje nepoddajné těsnicí uspořádání, které vede jen k malému posunu oběžného kola turbíny.

Vedle axiálního těsnění je uspořádáno jiné další axiální těsnění, které,je vybaveno větší šířkou základní štěrbiny.

Toto vedle uspořádané těsnění slouží jako bezpečnostní těsnění. Použije se na základě své větší základní šířky štěrbiny teprve tehdy, jestliže selže hlavní těsnění.

Pro zajištění nestacionárních provozních stavů může být rotoru přiřazeno axiální ložisko, které se použije na základě své šířky štěrbiny jen při extrémním otevření těsnicí komory, a v normálním provozu nepřenáší žádné axiální síly a nezpůsobuje žádné ztráty třením.

Přehled obrázků na výkrese

Vynález je dále blíže popsán a objasněn na příkladu provedení zařízení podle vynálezu podle připojeného výkresu, který znázorňuje na obr. 1 podélný řez dílčí oblastí turbostroje s těsnicím uspořádáním, na obr. 2 podélný řez podle obr. 1 s jiným těsnicím uspořádáním, na obr. 3 dílčí výřez s dvěma radiálně uspořádanými axiálními těsněními, na obr. 4 dílčí výřez s dvěma axiálně uspořádanými axiálními těsněními, a na obr. 5 uspořádání podle obr. 3 s axiálním ložiskem.

Příklady provedení vynálezu

Obr. 1 znázorňuje dílčí oblast turbostroje 1s rotorem 2 a skříní 3. Mezi skříní 3 a rotorem 2 je uspořádáno více, na obr. 1 neznázorněných rozváděčích kol a oběžných kol v oblasti 4. Rozváděči kola, spojená se skříní 3, a oběžná kola, spojená s rotorem 2, jsou protékána přes hrdlo 5 přiváděným médiem, které má vstupní tlak g-j. Po protečení oběžnými koly má médium koncový tlak p₂.

S rotorem 2 je rovněž spojen kotouč, obíhající ve vyrovnávací komoře, který tvoří ve spojení s radiálním těsněním 8 vyrovnávací píst 9. Tlak za vyrovnávacím pístem 9 se zajišťuje vyrovnávacím potrubím 10 do prostoru 11, který je ovládán koncovým tlakem p₂. Axiální těsnění 8, vytvořené jako kartáčové těsnění, je uspořádáno na předem daném poloměru d_k a upevněno na skříni 3. Vůči boční ploše vyrovnávacího pístu 9 ponechává šířku S štěrbiny, označovanou jako axiální šířka štěrbiny, přičemž šířka S štěrbiny se při posuvném pohybu oběžných kol a rotoru 2 ve směru šipky Fg_X redukuje o míru posuvného pohybu, protože vyrovnávací píst 9 provádí také posuvný pohyb. Protože je axiální těsnění 8 provedeno velmi nepoddajně, mění se jeho těsnost již při malých změnách šířky S štěrbiny ve značné míře. Při redukované šířce S štěrbiny dosahuje tlak ve

vyrovnávací komoře 6 téměř tlakové úrovně vstupního tlaku p-j. Při velké šířce S štěrbiny se na základě vyrovnávacího potrubí 10 nastaví ve vyrovnávací komoře 6 tlak, který se rovná koncovému tlaku p₂- Funkční průměry d, a d_m turbostrojů (vnitřní a vnější průměr systému lopatek) jsou přitom průměrem d_k uspořádání axiálního těsnění a průměrem d_z uspořádání radiálního těsnění 7, na obr. 1 neznázorněného, sladěny tak, že jsou podchyceny všechny mezní oblasti použití. Vlivem absolutně samo se regulujícího procesu se posuvná síla oběžné dráhy neustále kompenzuje, takže rovnováha sil zůstává i při kolísajících axiálních posunech vždy zachována.

Obr. 2 znázorňuje dílčí výřez skříně 3 s hrdlem 5 pro médium, přiváděné pod vstupním tlakem ρ,. Oběžné kolo v oblasti 4 se středním průměrem d_m svého systému lopatek je protékáno médiem, což vede k axiálnímu posunu ve směru šipky Fa_X. Vyrovnávací píst 9 vyčnívá do vyrovnávací komory 6, přičemž mezi jeho vnějším průměrem d_za skříní 3 je uspořádáno radiální těsnění 7. U tohoto příkladu provedení je axiální těsnění 8 vytvořeno jako axiálně působící kluzné prstencové těsnění, které sestává z nerozdělených těsnění, která, podporována fluidem, kloužou na sobě. Kluzný prstenec 12 je za vytvoření šířky S štěrbiny přiřazen skříni 3, a spolupůsobící prstenec 13 vyrovnávacímu pístu 9. Při správném sladění axiálního těsnění 8 a radiálního těsnění 7, co se týká jejich těsnicího účinku, se i zde dá dosáhnout regulačního procesu, popsaného k obr. 1.

Výřez podle obr. 3 znázorňuje axiální těsnění 8 s šířkou S štěrbiny, uspořádané radiálně uvnitř mezi vyrovnávacím pístem 9 a skříní 3. Ke zvýšení provozní bezpečnosti je radiálně z vnějšku uspořádáno další axiální těsnění 8a, působící jako bezpečnostní těsnění, které má větší šířku Sg štěrbiny než axiální těsnění 8. Axiální těsnění 8a se proto používá teprve při selhání axiálního těsnění

8. Pro monitorování funkce hlavního těsnění 8 se v komoře 6a měří tlak a porovnává s koncovým tlakem g₂.

v

Na obr. 4 jsou uspořádána axiální těsnění 8 a 8a v axiálním směru vedle sebe, přičemž se axiální těsnění 8a se svou větší šířkou Sg štěrbiny použije teprve tehdy, jestliže by axiální těsnění 8 selhalo. Pro monitorování funkce hlavního těsnění 8 se v komoře 6a měří tlak a porovnává s koncovým tlakem p₂Výřez vyobrazení podle obr. 1 je znázorněn na obr. 5. V další realizaci k obr. 1 je na obr. 5 pro zajištění nestacionárního provozu uspořádáno axiální ložisko 14. Na základě odstupů 15 a 16 je axiální ložisko včetně vstřikovacího mazání dimenzováno tak, že se používá jen v mezní situaci. Tímto způsobem se zabraňuje jinak obvyklým ztrátám tohoto ložiska.

Claims (8)

1. PATENTOVÉ NÁROKY

   1. Zařízení pro kompenzaci axiálního posunu u turbostrojů, s radiálním těsněním (7) , působícím mezi rotorem (2) a skříní (3) turbostroje, s axiálním těsněním (8), působícím mezi rotorem (2) a skříní (3), s vyrovnávacím pístem (9), upevněným na rotoru (2), přičemž vyrovnávací píst (9), skříň (3), radiální těsnění (7) a axiální těsnění (8) vymezují vyrovnávací komoru (6) a axiální šířka (S) štěrbiny axiálního těsnění (8) je měnitelná analogicky k axiálnímu posunu rotoru (2), podmíněnému provozem, a s vyrovnávacím potrubím pro vyrovnávání tlaku mezi nízkotlakou oblastí turbostroje a zařízením pro kompenzaci axiálního posunu, vyznačující se tím, že axiální těsnění (8) je uspořádáno mezi boční plochou vyrovnávacího pístu (9) a skříní (3), přičemž na vyrovnávací píst (9) působí tlak, vyskytující se ve vyrovnávací komoře (6) v závislosti na axiální šířce (S) štěrbiny, a vyrovnávací potrubí (10) přivádí koncový tlak (p₂) do dalšího prostoru, vymezeného skříní (3) a rotorem (2) a uspořádaného mezi vyrovnávací komorou (6) a okolím.
2. 2. Zařízení podle nároku 1, vyznačující se tím, že příslušný průměr (d_k a d_z) axiálního těsnění (8) a radiálního těsnění (7) je zvolen v závislosti na funkčním průměru (dj a d_m) turbostroje.
3. 3. Zařízení podle nároku 1, vyznačující se tím, že těsnicí účinky axiálního těsnění (8) a radiálního těsnění (7) jsou vůči sobě sladěny.
4. 4. Zařízení podle některého z nároků 1 až 3, vyznačující se tím, že axiálním těsněním (8) je kluzné prstencové těsnění.
5. 5. Zařízení podle některého z nároků 1 až 3, vyznačující se tím, že axiálním těsněním (8) je kartáčové těsnění.

   V»

   4 »4

   9 9 9

   9 9 199

   9 9

   9999 1

   99 1

   1 11 • » · » • · 19 99 1

   9 9 9

   99 · ··
6. 6. Zařízení podle některého z nároků 1 až 3, vyznačující se tím, že axiálním těsněním (8) je adaptivní těsnění s malou šířkou štěrbiny.
7. 7. Zařízení podle některého z předcházejících nároků, vyznačující se tím, že vedle axiálního těsnění (8) je uspořádáno další axiální těsnění (8a), které je opatřeno větší základní šířkou (S_a) štěrbiny.
8. 8. Zařízení podle některého z předcházejících nároků, vyznačující se tím, že rotoru (2) je přiřazeno axiální ložisko pro zajištění nestacionárních provozních stavů.