CZ286496B6 - Sealing arrangement for passage of shaft through solid casing - Google Patents

Description

Těsnicí zařízení pro průchod hřídele skrz pevnou skříň

Oblast techniky

Vynález se týká těsnicího zařízení pro průchod hřídele skrz pevnou skříň, která obklopuje fluidem ovlivňovaný vnitřní prostor, ze kterého hřídel vystupuje, a která má hřídel obklopující, podél jeho osy na obou stranách s těsněními sousedící a skrz nejméně jedno z těsnění fluidem ovlivňovanou výparovou komoru, otevřenou k okolnímu prostředí.

Dosavadní stav techniky

Takové těsnicí zařízení spolu se způsobem jeho provozuje známé z DE-PS 576 969.

Zařízení podle vynálezu se týká zejména těsnění pro použití u parní turbíny, aby se utěsnil průchod rotujícího hřídele ze skříně parní turbíny. Pára, která přitom vystupuje skrz těsnění podél hřídele ze skříně, je shromažďována ve výparové komoře a je vypouštěna do okolí. Kondenzací se mění tato pára na mlhu a je tak na tomto těsnicím zařízení patrná jako výparová korouhev. Tak se vytváří jednoduchá funkční kontrola tohoto těsnicího zařízení. Taková jednoduchá funkční kontrola je zvláště zajímavá a velmi žádoucí u parní turbíny pro průmyslové účely, jejíž poskytovaný výkon má hodnotu zhruba mezi 1 MW až 50 MW. U takové parní turbíny se tak zpravidla vytváří zatěžování okolního prostředí výparovou korouhví v nepřijatelných mezích.

Těsnicí zařízení pro průchod hřídelů jsou podle stavu techniky známá ve velmi různých podobách. Zejména je známý velký počet možností provedení jednotlivých komponentů těsnicích zařízení, zejména vlastních těsnění. Těsnicí zařízení pro použití u parních turbín jsou patrná z DE 26 43 484 AI a z DE 33 33 530 AI. V těchto patentových spisech jsou popsána také různá provedení komponentů těsnicích zařízení. EPO463 532 AI se týká odstraňování páry, která vystupuje z těsnicího zařízení, přičemž tato pára se kondenzuje v tak zvaném kondenzátorovém zařízení odparové páry. Hlavní poznatek v tomto spise spočívá v uspořádání kondenzátoru odparové páry. Ten je vytvořen zejména jako beztlakový tepelný výměník, což znamená, že se v něm uskutečňuje kondenzace odparové páry zhruba při normálním tlaku okolního ovzduší. Vypouštění odparové páry do okolního ovzduší se vůbec neuskutečňuje, protože odparová pára se úplně kondenzuje.

GB-PS 1 267 548 popisuje také těsnicí zařízení parní turbíny takového druhu, které je popsáno v EP 0 463 532 AI. Toto těsnicí zařízení má být použitelné nejen pro průchod rotujícího hřídele, zejména výstupního hřídele parní turbíny, ale také pro průchod vřetena ventilu, které je posuvné ve směru své osy a které nemusí být otočné. V tomto smyslu je třeba vykládat pojem hřídel tak, že se může jednat jak o otočný hřídel, tak i o posuvné vřeteno.

Těsnění pro těsnicí zařízení popsaného druhu jsou z hlediska funkce a vytvoření popsána v knize „Thermische Turbomaschinen“, autor W. Traupel, nakladatelství Springer, Berlín 1977, svazek 1, kapitola 10. Podrobně jsou popsána zejména těsnění typu labyrintových těsnění. Jiná těsnění, jmenovitě koncová těsnění v podobě ucpávek, zejména koncová těsnění, případně těsnění v podobě ucpávek s uhlíkovými kroužky, jsou zmíněna jen okrajově a jsou označena jako nevýhodná pro parní turbíny v elektrárnách. Tato poznámka se však zřejmě nevztahuje na využití ucpávek a/nebo uhlíkových kroužků vtěsněních pro parní turbíny, které jsou určeny pro průmyslové účely. Jak je patrno z DE 26 43 484 AI a z DE 33 33 530 AI, jsou těsnění z uhlíkových kroužků v takových parních turbínách velmi obvyklá.

-1 CZ 286496 B6

Těsnicí zařízení v úvodu uvedeného druhu a způsob jeho provozu vyplývá z DE-PS 567 969. Přídavně se u zde popsaného zařízení předpokládá ovlivňování více výparových komor v různých těsnicích zařízení z jednoho jediného zdroje fluidem, a to párou. Tak se má dosáhnout uvolnění okolního prostředí od výparové páry, protože pro zabezpečení uspokojivého přetlaku v každé výparové komoře je již jen potřeba, aby fluidum proudilo jen z jednoho jediného těsnicího zařízení, to je z toho těsnicího zařízení, ve kterém má fluidum mezi výparovou komorou a mezi komínem, skrz který je fluidum vyfukováno, ten nejmenší odpor.

DE-PS 451 680 se týká jinak vytvořeného těsnicího zařízení. Toto těsnicí zařízení se vyznačuje tím, že v komoře, která obklopuje hřídel a která je podél hřídele upravena nejvíce navenek, se udržuje podtlak, který způsobuje, že podél hřídele se nasává vzduch do této komory. To má zajistit, že se nedostane žádná pára do okolního prostředí. Podtlak je vytvářen odsávacím ústrojím, které odvádí v komoře vytvořenou směs vzduchu a páry do komínu nebo do zařízení pro zpětné zhodnocování.

U těsnicího zařízení v úvodu popsaného typu vzniká vždy, jak již bylo uvedeno, určité zatížení okolního prostředí výparovou párou, které může za určitých okolností vyžadovat speciální opatření pro zachování čistoty ovzduší. Mimoto je spolehlivost kontroly funkce na podkladě výparové korouhve jen omezená, protože malé změny jsou jen obtížně rozpoznatelné. Funkční kontrola se proto v podstatě musí omezit jen na zjištění, zda již došlo k poškození těsnicího zařízení nebo ne. Opravdová diagnóza těsnicího zařízení hřídele s cílem získat kvantitativní vyhodnocení funkční spolehlivosti těsnicího zařízení a případných škod již v počátku jejich vzniku není možná.

Podstata vynálezu

Vynález si proto klade za úkol vytvořit těsnicí zařízení v úvodu uvedeného druhu, které by umožňovalo jak omezit nežádoucí zatížení okolního prostředí, tak také spolehlivou diagnózu, to znamená zejména spolehlivé zjištění, zda nevzniká škoda.

Pro řešení tohoto úkolu se uvádí těsnicí zařízení pro průchod hřídele skrz pevnou skříň, která obklopuje fluidem ovlivňovaný vnitřní prostor, ze kterého hřídel vystupuje, a která má hřídel obklopující, podél jeho osy na obou stranách s těsněními sousedící a skrz nejméně jedno z těsnění fluidem ovlivňovanou výparovou komoru, otevřenou k okolnímu prostředí, u kterého je výparová komora výparovou trubkou spojena s okolním prostředím a přídavně s odsávacím ústrojím.

Prostřednictvím odsávacího ústrojí je možné fluidum z výparové komory částečně odsávat a tak dosáhnout zmenšení zatížení okolního prostředí. Mimoto lze vhodným vytvořením a nastavením odsávacího ústrojí dosáhnout toho, že z celkového množství fluida, přiváděného do výparové komory, se odsává definovaný, do značné míry konstantní podíl, takže výkyvy v přívodu fluida skrz těsnění působí jen na zbytek, vypouštěný do okolního prostředí. Tak mohou malé výkyvy ve výtoku fluida do okolního prostředí, které jsou bez problémů a jednoduchými prostředky, zejména pouhým pozorováním, prokazatelné. Tak se umožní citlivá kontrola přítoku fluida do výparové komory a tím také citlivá kontrola těsnicího účinku těsnicího zařízení. Zvláště výhodné je, že výparová komora je výparovou trubkou spojena s okolním prostředím a odsávací ústrojí je připojeno na výparovou trubku. Tím se udrží nízké zpětné působení odsávacího ústrojí na proudění fluida v těsněních a ve výparové komoře a zdokonalí se účinek těsnicího zařízení.

Jako odsávací ústrojí přichází v úvahu zejména proudové čerpadlo v podobě proudového čerpadla páry, ve kterém fluidum, kterým je ovlivňována skříň, slouží jako poháněči prostředek a s výhodou se přivádí z vnitřního prostoru skříně. Takto vytvořené těsnicí zařízení pracuje do

-2CZ 286496 B6 značné míry soběstačně vedle skříně a vedle ústrojí, upravených ve skříni, což podstatně zvyšuje jeho provozní spolehlivost.

Pro jemné nastavování odsávacím ústrojím vytvářené rovnováhy průtoku je před odsávacím ústrojím s výhodou předřazen nastavovací ventil, kterým je nastavitelný sací účinek.

Podle dalšího výhodného provedení je mezi výparovou komorou a mezi vnitřním prostorem uspořádána hřídel obklopující, podél jeho osy po obou stranách s těsněními sousedící uzavírací komora, do které je odpovídajícím přívodem dodáváno fluidum. Taková uzavírací komora může splnit více funkcí. Může sloužit například ktomu, aby připravila před výparovou komorou nezávisle na poměrech ve vnitřním prostoru definované termodynamické poměry, zejména definovaný tlak, aby tak zajistila do značné míry na provozu nezávislé ovlivňování těsnění, které vede kvýparové komoře. Mimoto, případně přídavně lze prostřednictvím odpovídajícího nastavení tlaku v uzavírací komoře zajistit, že se zabrání vnikání vzduchu do vnitřního prostoru. K tomu se v uzavírací komoře nastaví odpovídající přetlak. Příslušný přívod k uzavírací komoře je s výhodou připojen na vnitřní prostor, zejména na tu oblast vnitřního prostoru, ve které panuje přiměřený tlak pro uzavírací komoru. Je třeba uvést, že ve vnitřním prostoru skříně pracující parní turbíny panuje vždy tlakový spád, podmíněný expanzí páry podél turbíny. V souladu s odpovídajícím požadavkům je možné připojit přívod na vstup, výstup nebo na přípojku parní turbíny.

Zvláště výhodné je, zejména ve spojení sjiž popsanou uzavírací komorou, upravit mezi výparovou komorou a mezi vnitřním prostorem hřídel obklopující, podél jeho osy po obou stranách s těsněními sousedící prosakovací komoru, ze které je prostřednictvím odpovídajícího odvodu fluidum odváditelné. Tento odvod může být zejména napojen na prosakovací kondenzátor, ve kterém se odváděné fluidum kondenzuje. Tento prosakovací kondenzátor je s výhodou vytvořen pro kondenzování fluida při tlaku, který zhruba odpovídá normálnímu tlaku okolního prostředí. Prosakovací komora je nasaditelná pro vytváření definovaného tlakového spádu podél těsnicího zařízení, a to tím, že se v prosakovací komoře udržuje předem stanovený, požadavkům odpovídající tlak. Mimoto lze nastavením tlaku v prosakovací komoře ovlivňovat proud fluida, který se dostává do výparové komory. To má zvláštní význam zejména tehdy, když je těsnicí zařízení ovlivňováno z vnitřního prostoru skříně značně vysokým tlakem, k čemuž může dojít například ve vstupní oblasti parní turbíny.

Zvláště výhodně je těsnicí zařízení upraveno pro současné utěsnění dvou průchodů, přičemž každý průchod má výparovou komoru, spojenou s odsávacím ústrojím. Tak lze jednoduchými prostředky zajistit zvláště dobrý těsnicí účinek na každém průchodu. S výhodou je upraven mezi každou výparovou komorou a mezi odsávacím ústrojím odpovídající nastavovací ventil, čímž se umožní pro každou výparovou komoru individuální nastavení odsávacího účinku. Tím lze zejména vyrovnat rozdíly v ovlivňování průchodů z vnitřního prostoru. Dále lze také vyrovnat funkční diference dané technickou výrobou. Větší funkční diference jsou s výhodou vyrovnány prostřednictvím uzavíracích komor a/nebo prosakovacích komor.

Provoz těsnicího zařízení daného uspořádání, u kterého je skříň ovlivňována fluidem a do výparové komory přitéká prostřednictvím nejméně jednoho těsnění fluidum, se uskutečňuje podle vynálezu tak, že fluidum se z výparové komory až na zbytek, který se odvádí do okolního prostředí, odsává odsávacím ústrojím. Přitom se s výhodou z celkového množství fluida, proudícího do výparové komory, odsává předem stanovený konstantní podíl, takže výkyvy v proudu fluida, ovlivňujícího výparovou komoru, jsou patrny zejména ze zbytku, vypouštěného do okolního prostředí, a tím z výparové korouhve. Tento zbytek, který může při změnách v těsnicím zařízení značně kolísat, je přístupný pro jednoduchá inspekční opatření a poskytuje vynikající možnost pro funkční kontrolu. Je také omezen z hlediska svého množství, takže v každém případě jen v nepatrné míře zatěžuje okolní prostředí.

-3CZ 286496 B6

Těsnicí zařízení každého uspořádání je zvláště vhodné pro využití v tom případě, když je fluidum pára, s výhodou vodní pára. Především v tom případě, když je fluidum vodní pára, je zbytek, vystupující z těsnicího zařízení, patrný jako mlžný mrak, který je označován jako výparová korouhev. To je přístupná pro bezprostřední vizuální kontrolu. Změna velikosti mlžného mraku je bezprostředním znamením pro možnou nevhodnou změnu uvnitř těsnicího zařízení.

Zvláště důležité je využití těsnicího zařízení podle kteréhokoli uspořádání u parní turbíny, která je obklopena skříní a u které je hřídel uváděn do rotace. Velký význam má kontrola vysoce namáhaného těsnicího zařízení speciálně u parní turbíny pro průmyslové účely, u které dosahuje hřídel mnohonásobně vysokou rotační frekvenci. V souvislosti s tím má také značný význam ta skutečnost, že těsnicí zařízení podle vynálezu vystačí s nízkými přístrojovými náklady a zejména nevyžaduje žádnou nákladnou aparaturu pro diagnostické účely. Tím vyjde z hlediska obvyklých cenových představ vynález v souvislosti s parními turbínami pro průmyslové účely ve velmi opačném směru.

Přehled obrázku na výkrese

Vynález je v dalším podrobněji vysvětlen na příkladu provedení ve spojení s výkresovou částí.

Na obrázku je schematicky znázorněna parní turbína, upravená ve vnitřním prostoru skříně.

Příklad provedení vynálezu

Uvnitř vnitřního prostoru 5 skříně 4 je upravena parní turbína 16. Skrz potrubí 21 přívodní páry se přivádí parní turbíně 16 pára a v parní turbíně 16 uvolněná pára se odvádí potrubím 22 odpadní páry. Expanzí páry uvádí parní turbína 16 hřídel 3 do rotace kolem jeho osy 2. Dvěma průchody 1 je hřídel 3 vyveden ze skříně 4. Pro vysvětlení určitých znaků jsou v dalším uvedeny vzájemné vztahy obou průchodů 1. V každém průchodu 1 je upravena jedna výparová komora 7, která obklopuje hřídel 3 a v jejímž sousedství jsou podél osy 2 upravena vždy dvě těsnění 6. Do této výparové komory 7 protéká podél hřídele 3 pára, která je odváděna vždy jednou výparovou trubkou 9. Z výparové trubky 9 se dostává pára do okolního prostředí, kde kondenzuje a kde je patrná jako mlha, tedy jako výparová korouhev. Na každou výparovou trubku 9 je připojeno sací potrubí 17, které vede k odsávacímu ústrojí 8 v podobě proudového čerpadla. Prostřednictvím něj je z výparové trubky 9 odsávána část páry. Kromě redukce zatížení okolního prostředí se tak vytvoří velmi citlivý indikátor pro stav průchodu 1, protože již malými výkyvy v přítoku páry do výparového komory se stane patrným podstatná změna nebo změny velikosti výparové korouhve. Tak lze včas rozpoznat funkční poruchy těsnění 6, a to zpravidla ještě před tím, než dojde k vážným škodám. Do každého sacího potrubí 17 je zabudován nastavovací ventil ]0, aby bylo možné jemně regulovat podíl páry, odsávaný z výparové trubky

9. Je možné uskutečnit také takové zjednodušení, zejména pokud nejsou vysoké požadavky na těsnicí zařízení a na možnost jeho kontroly, že se nastavovací ventil 10 nahradí pevně nastaveným škrticím ústrojím, například clonou.

Mezi každou výparovou komoru 7 a mezi vnitřní prostor 5 je do průchodu 1 integrována prosakovací komora 13, která současně obklopuje hřídel 3 a podle kterého jsou v sousedství upravena těsnění 6. Pára, která se dostává podél hřídele 3 skrz tato těsnění 6 do prosakovací komory 13, je prostřednictvím příslušného odvodu 14 částečně odváděna a přiváděna do prosakovacího kondenzátoru 15. Volbou tlaku páry v prosakovacím kondenzátoru 15 lze ovládat tlak páry v prosakovací komoře 13. Tak je také možné nastavit přítok do výparové komory ]0. Nutnost prosakovacích komor 13 a prosakovacího kondenzátoru 15 není vždy potřebná. Zejména tehdy, když je tlak páry ve skříni 4 poměrně malý, nemusí být prosakovací kondenzátor 15

-4CZ 286496 B6 použit. V případě potřeby by se potom odváděla pára volitelně upravenou prosakovací komorou 13, případně z ní skrz potrubí 22 odpadní páry.

Levý průchod 1 je na skříň 4 připojen v blízkosti potrubí 21 přívodní páry, takže tento průchod 1 je z vnitřního prostoru 5 ovlivňován párou, která má vysoký tlak. Aby se tento tlak alespoň částečně kompenzoval, je vycházeje z vnitřního prostoru 5 za těsněním 6 upravena uzavírací komora 11. která obklopuje hřídel 3 a která je prostřednictvím přívodu 12 spojena s potrubím 22 odpadní páry a tím i s oblastí vnitřního prostoru 5, která je pod relativně malým tlakem. Tím se sníží zatížení dalších komponentů levého průchodu 1, to je prosakovací komory 13 a výparové komory 7, a alespoň částečně se přiblíží zatížení komponentů pravého průchodu 1, který je na skříň 4 připojen v blízkosti potrubí 22 odpadní páry a v souladu s tím je podstatně méně zatížen. Z tohoto důvodu není u pravého průchodu 1 upravena žádná uzavírací komora 11.

Odsávací ústrojí 8 v podobě proudového čerpadla, které prostřednictvím sacího potrubí 17 odsává páru z výparových trubek 9, je poháněno párou, která je odebírána z vnitřního prostoru 5 prostřednictvím části potrubí 22 odpadní páry a přívodu 12. Tato úprava je u znázorněného příkladu uspořádána za předpokladu, že parní turbína 16 je tak zvaná protitlaková turbína, ze které se pára vypouští pod relativně vysokým tlakem. Takové protitlaké parní turbíny jsou v průmyslu velmi využívány. Pokud v jiném případě není tlak v potrubí 22 odpadní páry dostatečně vysoký v souladu s vytvořením parní turbíny 16, lze odebírat páru pro odsávací ústrojí 8 v podobě proudového čerpadla na jiném místě, zejména před vstupem nebo přípojkou parní turbíny 16. Prostřednictvím potrubí 18 poháněcího prostředku a přes nastavovací ventil 19 se dostává pára, která slouží jako poháněči prostředek, k odsávacímu ústrojí 8 v podobě proudového čerpadla, kde je přejímána pára, nasávaná z výparové komory 9 a kde je odváděna prostřednictvím odvodu 20. Tento odvod 20 vede u znázorněného příkladu provedení k prosakovacímu kondenzátoru 15.

Popsané těsnicí zařízení umožňuje jednoduchou kontrolu funkce průchodu 1 hřídele 3 a mimoto umožňuje podstatné zmenšení zatížení okolního prostředí. Zařízení je zvláště vhodné pro použití u parní turbíny 16, zejména u parní turbíny 16 pro průmyslové účely s výkonem o hodnotě mezi 1 MW až 40 MW.

Claims (10)

1. Těsnicí zařízení pro průchod (1) hřídele (3) skrz pevnou skříň (4), která obklopuje fluidem ovlivňovaný vnitřní prostor (5), ze kterého hřídel (3) vystupuje, a která má hřídel (3) obklopující, podél jeho osy (2) na obou stranách s těsněními (6) sousedící a skrz nejméně jedno z těsnění (6) fluidem ovlivňovanou výparovou komoru (7), otevřenou kokolnímu prostředí, vyznačující se tím, že výparová komora (7) je přídavně spojena s odsávacím ústrojím (8), přičemž mezi odsávacím ústrojím (8) a mezi výparovou komorou (7) je vložen nastavovací ventil (10).

2. Těsnicí zařízení podle nároku 1, vyznačující se tím, že výparová komora (7) je výparovou trubkou (9) spojena s okolním prostředím a odsávací ústrojí (8) je připojeno na výparovou trubku (9).

3. Těsnicí zařízení podle nároku 1 nebo 2, vyznačující se tím, že odsávacím ústrojím (8) je proudové čerpadlo, které je pro dodávku fluida jako poháněcího prostředku, spojeno s vnitřním prostorem (5).

-5CZ 286496 B6

4. Těsnicí zařízení podle jednoho z předcházejících nároků, vyznačující se tím, že mezi výparovou komorou (7) a mezi vnitřním prostorem (5) je uspořádána hřídel (3) obklopující, podél jeho osy (2) po obou stranách s těsněními (6) sousedící, uzavírací komoru (11), do které je odpovídajícím přívodem (12) dodáváno fluidum.

5. Těsnicí zařízení podle nároku 4, vyznačující se tím, že přívod (12) je připojen k vnitřnímu prostoru (5).

6. Těsnicí zařízení podle jednoho z předcházejících nároků, vyznačující se tím, že mezi výparovou komorou (7) a mezi vnitřním prostorem (5) je uspořádána hřídel (3) obklopující, podél jeho osy (2) po obou stranách s těsněními (6) sousedící, prosakovací komoru (13), ze které je prostřednictvím odpovídajícího odvodu (14) fluidum odváditelné.

7. Těsnicí zařízení podle nároku 6, vyznačující se tím, že odvod (14) je napojen na prosakovací kondenzátor (15).

8. Těsnicí zařízení podle jednoho z předcházejících nároků, vyznačující se tím, že hřídel (3) má dva průchody (1) skrz skříň (4), z nichž každý má výparovou komoru (7), spojenou s odsávacím ústrojím (8).

9. Těsnicí zařízení podle nároku 8, vyznačující se tím, že k odsávacímu ústrojí (8) je před každou výparovou komorou (7) předřazen odpovídající nastavovací ventil (10).

10. Těsnicí zařízení podle jednoho z předcházejících nároků, vyznačující se tím, že skříň (4) obklopuje parní turbínu (16), kterou je hřídel (3) uváděn do rotace.