PL105787B1 - Urzadzenie do zwiekszenia dynamicznej granicy mocy turbin i sprezarek - Google Patents

Description

Przedmiotem wynalazku jest urzadzenie do zwiekszenia dynamicznej granicy mocy turbin parowych lub gazowych lub sprezarek z uszczelnieniami bezstykowymi, usytuowanymi w szczelinach pomiedzy wirujacymi i nieruchomymi czesciami konstrukcyjnymi.

W wirnikach wirnikowych maszyn cieplnych wystepuja samowzbudne drgania. Jest to zjawisko znane od dawna. Zewnetrzna cecha takich samowzbudnych drgan jest to, ze wystepuja one nagle przy pewnej liczbie obrotów lub w pewnym stanie obciazenia spokojnie przedtem pracujacej maszyny i równie nagle znikaja, jesli zejdzie sie ponizej granicy krytycznej. Czestotliwosc drgan odpowiada zawsze pierwszej krytycznej liczbie obrotów wirnika. Pod pojeciem „dynamicznej granicy mocy" rozumiana jest taka moc graniczna, przy której nie ma juz stabilnosci biegu wirnika, gdzie wiec — z fizycznego punktu widzenia — przy wzbudzeniu drgania wlasnego walu turbiny lub sprezarki przez niewielkie zaklócenia wystapi rozkolysanie samowzbudnych drgan do bardzo duzych amplitud.

Poniewaz wzrost obciazenia poza wspomniana moc graniczna nie jest mozliwy bez zagrozenia istotnych czesci, szczególnie takich jak: lozyska, uszczelki wirnika, instalacje maszynowe, wiadomo, ze w celu uzyskania dostatecznej mocy granicznej, to znaczy lezacej powyzej maksymalnej mocy zainstalowanej, waly wirnika nalezy odpowiednio bardzo dokladnie zwymiarowac. Prowadzi to jednak czasami do zbyt mocnych wirników, a przez to duzych nakladów materialowych.

Znanych jest dotychczas caly szereg przyczyn powstawania wspomnianych samowzbudnych drgan wirnika lub ciegna walu turbiny, miedzy innymi hydrodynamiczna samowzbudnosc czopów walu w blonie z oleju smarowniczego lozysk nosnych (poprzecznych); elastyczna histereza i tarcie pasowania skurczowego (w wirnikach z osadzonymi na skurcz badz z nasadzanymi tarczami wirnikowymi); subharmoniczny rezonans przez nieliniowosc w silach sprezystych lub silach tlumienia; wzbudzenia przez skladowe zginania momentu obrotowego walu; i szczelinowy przeplyw pary w szczelinach turbiny. Jednoczesnie moze tu równiez istniec wiele innych przyczyn.2 105 787 Wspomniane przyczyny zostaly juz w literaturze omówione. Jedynie przypadek wywolywania drgan przez przeplywy w szczelinach turbiny zostanie tu ponizej blizej omówiony.

Wywolywanie drgan przeplywem pary przez szczeliny uwzgledniono dotychczas przy koncepcji turbin ale tylko powstajacych przy wzbudzeniu w strefie przeplywu szczelinowego. Dla tego mechanizmu wzbudnego nazywanego w literaturze równiez wbudzeniem szczelinowym istotna jest nastepujaca rzecz: przy promieniowym dynamicznym wychyleniu wirnika z centralnego polozenia powstaja —jako nastepstwo róznych promieniowych przeswitów szczelin na lopatkach — rózne sily obwodowe na obwodzie kola wirnikowego, które dodaja sie do wypadkowej sily obwodowej, która lezy po stronie ugiecia wirnika i skierowana jest prostopadle do ugiecia. Jesli wirnik znajduje sie w okolobiegunowym stanie drgan, wówczas kierunek wypadkowej sil obwodowych wyprzedza ugiecie, a przez to droge drgan wirnika dokladnie o 90°. Wypadkowa boczna skladowa sily obwodowej, która w literaturze przewaznie nazywana jest sila poprzeczna jest prostopadla do chwilowego kierunku wychylenia i dziala wzbudzajac drgania.

Nastepnie znany jest fakt, ze przeplywy szczelinowe w dlawnicach i uszczelnieniach labiryntowych moga wytworzyc jedno ze wzbudzen pokrewne wzbudzeniu szczelinowemu. Jednak jego wplyw na granice stabilnosci uznaje sie dotychczas za niewielki. Tymczasem próby wykazaly, ze równiez z przebiegu cisnienia przeplywu w uszczelnieniach bezstykowych turbin nalezy sie spodziewac znacznych sil wzbudzajacych drgania wlasne, przy czym stosowane byly równiez odpowiednie uszczelnienia labiryntowe, a intensywnosc wzbudzenia z rozkladu cisnienia byla dwukrotnie wyzsza niz z rozkladu cisnienia ze straty przeplywu szczelinowego.

Rozklad cisnienia w uszczelkach mimosrodowych znany i zbadany jest przy zalozeniach doplywu pozbawionego zawirowan i nieruchomych sciankach. Jak przedstawia fig. 1, w tej uszczelce pomijajac symetrycz¬ ne prady wyrównawcze, o czysto osiowym przeplywie rozklad cisnienia jest symetryczny do najwezszej miejsca przeplywu. W zwiazku z tym wystepuje wprawdzie nieznaczna sila przywracajaca R, ale nie wystepuje sila poprzeczna Q prostopadla do kierunku wychylenia, a przez to równiez nie wystepuje sila zalezna od wychylenia i wzbudzajaca drgania.

Wsnioskuje sie z tego, ze przyczyna stwierdzonego na podstawie prób rzeczywiscie istniejacego wzbudzania drgan nalezy szukac tam, gdzie rzeczywiste wielkosci w turbinach odbiegaja od opisanego wczesniej i przedsta¬ wionego na fig. 1 modelu badawczego. W stopniu turbiny istnieje skladowa obwodowa przeplywu szczelinowego, dzialajaca w kierunku obrotu wirnika zarówno przez zawirowanie u wyjscia kola kierownicowego, jak równiez na skutek naprezen stycznych na wirujacym wirniku, jego tarczach i bandazach. Dlatego nalezy przyjac, ze przyczyny stwierdzonego w uszczelkach turbiny przesuniecia rozkladu cisnienia z polozenia symetrycznego do najwezszego miejsca nalezy szukac w skladowej obwodowej przeplywu szczelinowego. Taki rozklad cisnienia przedstawiony jest schematycznie na fig. 2, przy czym poza tym podane sa jeszcze; srednia skladowa obwodowa Cu przeplywu szczelinowego, sila wypadkowa R z rozkladu cisnienia, sila poprzeczna Q i sila przywracajaca Rx.

Przeprowadzone pomiary wykazaly nastepnie, ze sila poprzeczna w kaskadzie profili turbiny, pochodzaca z rozkladu cisnienia w strumieniu sumuje sie z sila poprzeczna pochodzaca ze wzbudzenia szczelinowego, tak, ze w sposób spotegowany zostaje wywarty wplyw na samowzbudne drgania w kierunku wzbudzenia. Jako najbardziej dotychczas skuteczny srodek zaradczy na zwiekszenie granicy stabilnosci wirnika znane jest podniesienie krytycznej liczby obrotów poprzez odpowiednio sztywniejsza konstrukcje wirnika. Ale ten srodek zaradczy niósl ze soba zwlaszcza zwiekszenie srednicy uszczelek urzadzenia kierujacego i z tego wynikalo zmniejszenie wspólczynnika wewnetrznej sprawnosci turbiny.

Celem wynalazku jest wyeliminowanie wyzej wymienionych wad i niedogodnosci.

Zadaniem natomiast wynalazku jest skonstruowanie urzadzenia do zwiekszenia dynamicznej mocy granicznej, powodujacego pomniejszenie, zmniejszenie do zera lub odwrócenia kierunku wektora drgania wlasnego wirnika (swobodnego) dodatniej skladowej sily obwodowego strumienia szczelinowego i przez to zwiekszenie granicy stabilnosci ukladu drgajacego.

Zadanie to rozwiazano w ten sposób, ze przed i/lub w obszarze szczeliny uszczelek bezstykowych zamontowano czesci konstrukcyjne przewodzace strumien czynnika takie jak elementy blaszane obrotowe, zebra ksztaltowniki, kanaly lub tym podobne elementy, lub przed i/lub w obszarze szczeliny uszczelek bezstykowych usytuowano polaczone ze zródlem doprowadzajacym czynnik pod cisnieniem — elementy (urzadzenie) doprowa¬ dzajace.

Zgodnie z wynalazkiem, czesci konstrukcyjne doprowadzajace strumien rozciagaja sie pochylo w kierunku promieniowym iw kierunku osi wzdluznej wirnika lub promieniowo i ukosnie do osi wzdluznej wirnika przy czym czesci konstrukcyjne i urzadzenie doprowadzajace zamontowane sa w obszarze maksymalnego wychylenia drgan (brzusca drgan).

Dzieki tym srodkom zaradczym zgodnym z wynalazkiem mozna uniknac nie tylko zmniejszenia dynamicz¬ nej granicy mocy turbiny z rozkladu cisnienia w uszczelkach, ale ogólnie kazdego zmniejszenia dynamicznej105 787 3 granicy mocy wynikajacego z drgan samowzbudnych. Zaleta srodków zaradczych zgodnych z wynalazkiem jest to, ze zwiekszenie dynamicznej, granicy mocy nie ma ujemnego wplywu na srednice uszczelek aparatu kierujacego i na wspólczynnik sprawnosci wewnetrznej turbin badz sprezarek.

Przedmiot wynalazku jest przedstawiony przykladowo na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia wykres rozkladu cisnienia bez zawirowan oplywanej znanej uszczelki „mimosrodowej", fig. 2-wykres rozkladu cisnienia w turbinach ze znanymi uszczelkami „mimosrodowymi" na którym skladowa obwodowa Cu strumienia szczelinowego skierowana w kierunku obrotu wirnika jest dodatnia, fig. 3a - wycinek przekroju podluznego przez os wirnika urzadzenia wedlug wynalazku z czesciami konstrukcyjnymi przewodzacymi strumien przed komorami uszczelniajacymi, fig. 3b- przekrój wedlug linii lllb-lllb na fig. 3a, fig. 4 — wycinek przekroju podluznego przez os wirnika z czesciami konstrukcyjnymi przewodzacymi strumien wewnatrz komór uszczelnia¬ jacych wedlug linii lila—lila na fig. 3b, fig. 5 — wycinek przekroju podluznego przez os wirnika z czescia wyjsciowa uszczelnienia w ksztalcie gwintu, fig. 6 — przekrój wedlug linii VI—VI zgodnie z fig.,5, fig. 7 — wyci¬ nek przekroju podluznego przez os wirnika z wplywem na skladowa strumienia szczelinowo-obwodowego przez domieszanie strumienia medium wedlug linii V-V na fig. 6, fig. 8 — przekrój wedlug linii VIII—VIII zgodnie z fig. 7 i fig. 9 — wycinek przekroju podluznego przez os wirnika z czesciami konstrukcyjnymi prowadzacymi strumien przed uszczelnieniami w szczelinie miedzy walem wirnika i urzadzeniem doprowadzajacym wedlug linii VII—VII nafig.8a.

Jak wynika z fig. 1 do 8 w szczelinie 1 pomiedzy stala tak zwana nleobracajaca sie sciana obudowy 2 i bandazem 3 kola wirnikowego 4 zamocowane na wale wirnika turbiny, umieszczona jest bezstykowa labiryntowa uszczelka 5 z komorami uszczelniajacymi. Przebiegajace promieniowo uszczelki blaszane sa w znany sposób doszczelniane dwuczesciowym pierscieniem oslonowym — na co wskazuje linia odniesieniowa znaku odniesienia 2. Pierscien oslonowy jest osadzony w rowku pierscieniowym konstrukcji nosnej kola kierownicze¬ go 10.

W przykladach wykonania wedlug fig. 3a, 3b i 4 w obrebie szczeliny sa umieszczone przed (fig. 3a, 3b) albo w (fig. 4) uszczelnieniami 5 czesci konstrukcyjne 6, 6a, prowadzace strumien. Tymi czesciami konstrukcyj¬ nymi 6 prowadzacymi strumien moga byc elementy blaszane obrotowe, zebra (jak na fig. 3a, 3b i 4 przedstawiono), ksztaltowniki, kanaly i tym podobne. Prowadzace strumien czesci konstrukcyjne 6, 6a sa na obwodzie szczeliny 1 równomiernie rozmieszczone, leza w plaszczyznie wirnik — os podluzna i sa utrzymywane przez pierscien oslonowy wzglednie sciane obudowy 2. Umocowanie czesci konstrukcyjnych 6, 6a na pierscieniu oslonowym wzglednie scianie obudowy 2 moze nastapic w znany sposób, na przyklad przez spawanie.

Czesci konstrukcyjne 6, 6a prowadzace strumietf — ogólnie biorac - sa tak uksztaltowane i rozmieszczone, ze srodkowa skladowa obwodowa strumienia szczelinowego, tak jest zmniejszona, ze skladowa sily z rozkladu cisnienia wyprowadzajaca o 90° wychylenie drgan wirnika, zostaje zmniejszona, zniesiona lub odwraca swój zwrot. W ostatnim przypadku na przyklad wzbudzenie ze straty przecieku szczelinowego moze byc równoczesnie stlumione.

W przykladzie wykonania wedlug fig. 5 i 6 sa przedstawione prowadzace strumien czesci konstrukcyjne 7a w ksztalcie gwintowanej czesci wejsciowej 7 lewej partii uszczelniania, której gwint rozciaga sie równomiernie na obwodzie.

W przykladzie wykonania wedlug fig. 7 i 8 wywoluje sie wplyw na sile skladowa obwodowego strumienia szczelinowego przez domieszanie pary !ub zastosowanie pary zaporowej z potrzebnymi do tego celu predkosciami potrzebnymi do uzyskania odpowiedniego impulsu.

Para wzglednie para zaporowa jest doprowadzana w obreb szczeliny przed uszczelnieniem 5, przez odpowied¬ nie, równomiernie rozlozone na obwodzie elementy doprowadzajace 8.

Para wzglednie para zaporowa moze byc doprowadzana w obreb szczeliny za pomoca odpowiednich doprowadzen przez wnetrze uszczelnien 5, co jednak nie zostalo przedstawione na rysunku.

Srodki zapobiegawcze sluzace do podwyzszenia dynamicznej granicy mocy wedlug fig. 3,4 wzglednie 5, 6, 7 i 8 moga byc miedzy soba kombinowane.

Przedstawione urzadzenie przewodzace strumien mozna zastosowac takze do innych uszczelnien niz do tych znajdujacych sie w szczelinie miedzy bandazem kola wirnikowego a obudowa, na przyklad—przedstawione na fig. 9 —do uszczelnien 5' w szczelinie V pomiedzy walem wirnika 11 a urzadzeniem kierujacym, lub -co nie przedstawiono na rysunku —do uszczelnienia tloka wyrównawczego. Prowadzace strumien czesci konstrukcyjne 6' wedlug fig. 9 sa w analogiczny sposób rozmieszczone i uksztaltowane jak na przykladach wykonania wedlug fig. 3a, 3b i 4. Ich umocowanie nastepuje na nieruchomej konstrukcji kola kierowniczego 10.

Czesci konstrukcyjne prowadzace strumien wzglednie elementy doprowadzajace dla pary wzglednie pary zaporowej sa podporzadkowane przewaznie uszczelnieniu wzglednie uszczelnieniom które leza najblizej maksy¬ malnych drgan tak zwanego brzusca drgania wirnika.4 105 787 W anizotropowym ulozyskowaniu wirnika zastosowanie opisanych na wstepie srodków zapobiegawczych (czesci konstrukcyjne przewodzace strumien i tym podobne) nie musi nastepowac równomiernie na obwodzie, lecz moze sie koncentrowac w zakresie maksymalnego wychylenia drgan.

Claims (3)

Zastrzezenia patentowe

1. Urzadzenie do zwiekszenia dynamicznej granicy mocy turbin i sprezarek parowych lub gazowych z uszczelnieniami bezstykowymi, usytuowanymi w szczelinach pomiedzy wirujacymi i nieruchomymi czesciami konstrukcyjnymi, znamienne tym, ze do pomniejszenia, zmniejszenia do zera lub odwrócenia kierunku wektora drgania wlasnego wirnika (swobodnego) dodatniej skladowej sily obwodowego strumienia szczelinowe¬ go przed i/lub w obszarze szczeliny uszczelek bezstykowych (5) ma przyporzadkowane czesci konstrukcyjne (6, 6a) prowadzace strumien, takie jak blachy zwrotne, zebra, ksztaltowniki (7, 7a) kanaly lub tym podobne elementy lub przed i/lub w obszarze szczeliny uszczelek bezstykowych ma polaczone ze zródlem doprowadzaja¬ cym czynnik elementy doprowadzajace(8). v

2. Urzadzenie wedlug zastrz. 1,znamienne tym, ze prowadzace strumien : esci konstrukcyjne (6, 6a) rozciagaja sie pochylo w kierunku promieniowym i w kierunku osi wzdluznej wirnika lub promieniowo i ukosnie do osi wzdluznej wirnika.

3. Urzadzenie wedlug zastrz. 1, albo 2, znamienne tym, ze prowadzace strumien czesci konstrukcyj¬ ne (6, 6a) i elementy doprowadzajace (8) zamontowane sa w obszarze maksymalnego wychylenia drgan (brzusca drgan). (-)s •fc»i«rtt4 Fig. 2105 787 Fig.3a Fig. U105 787 Fig. 5 Fig 6 fll ^ \J \\V\\\\fl,\\ tlwlL\ msm ¦y// BDr— Fig 8 5~l l^Jl ~L 5j 5i VD105 787 Fig. 9