RU155824U1

RU155824U1 - Устройство для уплотнения радиального зазора между статором и ротором энергосиловой машины

Info

Publication number: RU155824U1
Application number: RU2015123268/05U
Authority: RU
Inventors: Акакий Арташевич Церетели; Андрей Александрович Ельшин
Priority date: 2015-06-17
Filing date: 2015-06-17
Publication date: 2015-10-20

Abstract

1. Устройство для уплотнения радиального зазора между статором и ротором энергосиловой машины, содержащее кольцевую обойму с набором сотовых вставок, установленную в корпусе статора, и внутреннее вертикальное кольцо, где вставки охватывают с радиальным зазором кольцевые уплотнительные гребни ротора, а вертикальное кольцо разделяет полость между гребнями с образованием левой и правой кольцевых расширительных камер, причем открытые стороны сот расположены на едином внутреннем диаметре вставок, отличающееся тем, что вертикальное кольцо между гребнями выполнено в виде дополнительного кольцевого уплотнительного гребня ротора, притом между кольцевыми гребнями ротор содержит равнорасположенные перегородки, причем число перегородок ротора при выбранных частоте его вращения и длине каналов автоколебания газа определено соотношениемгде z - число перегородок между кольцевыми гребнями ротора;h- глубина соты;n - частота вращения ротора, с;Т - температура рабочего тела перед уплотнением, K;R - газовая постоянная, Дж/(кг∙град);k - показатель изоэнтропы.2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что перегородки между кольцевыми гребнями ротора выполнены поперечными.3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что набор сотовых вставок выполнен с постоянной глубиной сот.

Description

Полезная модель относится к машинам и двигателям и может быть использована для уменьшения перетекания рабочего тела (газа, воздуха) в радиальном зазоре между статором и ротором энергосиловых машин.

Уменьшение перетекания рабочего тела в радиальном зазоре между статором и ротором является значительным резервом улучшения характеристик машин. При уменьшении утечек на 1% кпд ступени турбомашины увеличивается на 1,6-2,0%. Чем больше перепад давления рабочего тела срабатываемый в машине, тем сильнее проявляется влияние утечек в радиальном зазоре на кпд машины.

С повышением температуры рабочего тела и его степени сжатия стабилизация радиального зазора и уменьшение утечек в уплотнении усложняется.

Например, в практике уплотнения радиального зазора между статором и ротором турбин обычно используются соты шестигранного сечения, оси которых нормальны к направлению течения рабочего тела в зазоре между статором и ротором (патент РФ №2039872) или с сотами, установленными с наклоном против течения потока в уплотнении (патент США №4466772).

Известно сотовое уплотнение (Смоленский А.Н. Конструкция и расчет деталей паровых турбин. М. Машиностроение, 1964, с. 215-216), которое выполнено в виде сотовых вставок, размещенных в корпусе статора и охватывающих с радиальным зазором кольцевые уплотнительные гребни, расположенные на бандаже рабочих лопаток ротора. Недостаток известного уплотнения заключается в сложности закрепления вставок в корпусе статора, что снижает его технологичность в производстве.

Известны лабиринтные уплотнения, в которых сотовые кольца на статоре сочетаются с лабиринтными гребешками на роторе (патент США №3501089). Так как сотовые кольца имеют тонкие стенки сот, поверхность контакта между ними и гребешками ротора уменьшена примерно в 10 раз по сравнению с обычным лабиринтным уплотнением (с гладким кольцом статора). Это позволяет допускать беззазорную сборку узла уплотнения и после приработки величина зазора составляет 0,2 мм. Недостатком уплотнения является то, что гребешки лабиринтов тонкие и высокие. Однако в современных высокотемпературных ТРДД на переменных режимах работы температура рабочего тела (газа) изменяется резко. Поэтому при этих режимах сравнительно тонкий гребешок постоянной толщины быстро прогревается и принимает температуру рабочего тела, а массивное кольцо ротора, на котором они выполнены, нагревается или охлаждается медленнее. Такая разница температур между кольцом ротора и вершиной гребешков приводит к высоким термическим напряжениям и образованию трещин на гребешках и выводит их из строя.

Известно лабиринтное уплотнение радиального зазора турбомашины (патент РФ №2033527), основанное на возможности возбуждения пульсаций давления в сотах турбомашины. В этом патенте лабиринтное уплотнение радиального зазора турбомашины содержит сотовый элемент на статоре и гребешки на роторе, расположенные с образованием между ними кольцевых канавок. Причем гребешки выполнены цилиндрическими с толщиной равной диаметру окружности, вписанной в сотовый элемент. Пульсирующее в сотах рабочее тело, взаимодействуя с основным течением в зазоре уплотнения турбомашины, создает дополнительное гидравлическое сопротивление, что позволяет снизить утечки основного течения рабочего тела через уплотнение. Однако при малых зазорах возможны задевания гребешков ротора о неподвижные кольца статора, большой износ, нагрев и повреждение гребешков.

Механизм влияния пульсаций рабочего тела в сотах статора на величину утечки рабочего тела (или коэффициент расхода) в уплотнении обусловлен в основном следующим. Втекающее в соты при повышении в них давления, а затем вытекающее из них при понижении давления рабочее тело имеет небольшую скорость в направлении основного течения. Вследствие этого при смешении обоих потоков и обменом количества движения происходит соответствующее уменьшение скорости основного течения, т.е. снижается величина утечки рабочего тела.

Известно, что уменьшению скорости основного течения также способствует закручивание рабочего тела в сотах (Авт. свидет. SU №1657930). Данные технические решения полезно использовать для цилиндрических поверхностей, например для лабиринтного сотового уплотнения энергосиловых машин.

Возникающий вследствие этого в сотах над рабочими лопатками пульсирующий поток рабочего тела, направленный в сторону течения основного потока рабочего тела в радиальном зазоре, создает дополнительное сопротивление основному потоку и тем самым уменьшает перетекание рабочего тела в радиальном зазоре, т.е. снижает его расход.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является сотовое уплотнение для паровой турбины (патент РФ №2283962). Сотовое уплотнение содержит установленную в корпусе статора уплотнительную обойму с сотовыми вставками, которые охватывают с радиальным зазором кольцевые уплотнительные гребни бандажа рабочих лопаток ротора. Сотовые вставки выполнены ступенчатыми с внутренним вертикальным кольцом, которое разделяет полость между гребнями с образованием левой и правой кольцевых расширительных камер. Однако выполнение сотовых вставок ступенчатыми усложняет установку сотового уплотнения в турбину.

Кроме того, в этом наиболее близком техническом решении не в полной мере реализованы возможности увеличения пульсаций рабочего тела в сотах для достижения наибольшей эффективности уплотнения радиального зазора турбомашины.

В основу полезной модели положено решение задачи повышения эффективности уплотнения в радиальном зазоре между статором и ротором энергосиловой машины посредством увеличения давления пульсаций рабочего тела в сотах.

Техническим результатом полезной модели является уменьшение утечек рабочего тела в радиальном зазоре между ротором и статором.

Поставленная задача решается тем, что сотовое устройство для уплотнения радиального зазора между статором и ротором энергосиловой машины, содержит кольцевую обойму с набором сотовых вставок, установленную в корпусе статора и внутреннее вертикальное кольцо. Вставки охватывают с радиальным зазором кольцевые уплотнительные гребни ротора, а вертикальное кольцо разделяет полость между гребнями с образованием левой и правой кольцевых расширительных камер. Открытые стороны сот расположены на едином внутреннем диаметре вставок.

Новым в полезной модели является то, что вертикальное кольцо между гребнями выполнено в виде дополнительного кольцевого уплотнительного гребня ротора. Между кольцевыми гребнями ротор содержит равнорасположенные перегородки. Число перегородок ротора при выбранных частоте его вращения и длине каналов автоколебания рабочего тела определено соотношением:

где

Z - число перегородок между кольцевыми гребнями ротора;

h_(сот) - глубина соты;

n - частота вращения ротора [сек.^-1];

T - температура рабочего тела перед уплотнением [K];

R - газовая постоянная [Дж/кг град];

K - показатель изоэнтропы.

При такой конструкции сотового уплотнения между статором и ротором:

- выполнение вертикального кольца между гребнями в виде дополнительного кольцевого уплотнительного гребня ротора уменьшает утечки газа через уплотнение, что повышает его эффективность;

- при вращении перед равнорасположенными перегородками ротора возникают зоны повышенного давления рабочего тела, которые периодически создают в сотах увеличение давления рабочего тела. При совпадении вынужденных и собственных колебаний столбов рабочего тела в каналах сот возникает резонанс с наибольшим повышением давления рабочего тела;

- наибольшее повышение давления рабочего тела в каналах сот при резонансе взаимодействуя с основным потоком, оказывает дополнительное сопротивление течению основного потока рабочего тела в радиальном зазоре и позволяет снизить величину его утечки.

Развитие и уточнение совокупности существенных признаков полезной модели для частных случаев ее выполнения дано далее:

- перегородки между кольцевыми гребнями ротора должны быть выполнены поперечными. Это позволяет осуществить максимальное торможение рабочего тела в радиальном зазоре в окружном направлении при взаимодействии перегородок ротора с открытыми сотами статора и тем самым повысить эффективность работы уплотнения;

- набор сотовых вставок с постоянной глубиной сот позволяет обеспечивать режим резонанса вдоль всего радиального зазора между статором и ротором.

Указанные существенные признаки полезной модели обеспечивают решение поставленной задачи, так как аэродинамическое сопротивление утечкам рабочего тела усилено за счет возбуждения пульсаций давления в сотах с частотой, равной частоте собственных колебаний рабочего тела в сотах, т.е. при резонансе, который возникает при заданном соотношении между геометрическими параметрами уплотнения и параметрами, определяющими режим работы энергосиловой машины. При этом амплитуда пульсаций давления и масса пульсирующего в сотах рабочего тела возрастают, что приводит к еще большему снижению утечки основного течения рабочего тела через уплотнение.

Таким образом, решена поставленная в полезной модели задача - повышена эффективность уплотнения радиального зазора энергосиловой машины посредством увеличения давления пульсаций рабочего тела в сотах. Техническим результатом полезной модели является уменьшение утечек рабочего тела в радиальном зазоре между статором и ротором с повышением кпд энергосиловой машины.

Настоящая полезная модель поясняется последующим описанием конструкции сотового уплотнения между статором и ротором энергосиловой машины и ее работы со ссылками на иллюстрации, представленные на фиг. 1-5, где:

на фиг. 1 представлено схематично устройство для уплотнения радиального зазора между статором и ротором энергосиловой машины;

на фиг. 2 - разрез А-А на фиг. 1;

на фиг. 3 - вид на элемент кольцевых гребней ротора с перегородками в аксонометрической проекции;

на фиг. 4 - вид на сотовое уплотнение радиального зазора между статором и ротором энергосиловой машины, например, турбомашины в аксонометрической проекции;

на фиг. 5 - график изменения коэффициента расхода рабочего тела сотового уплотнения с постоянным радиальным зазором, например, δ=0,21 мм между статором и ротором в зависимости от частоты вращения n рабочего колеса и различных отношений давления π_у=P_вх/P_вых,

где P_вх давление рабочего тела перед уплотнением,

P_вых - давление рабочего тела после уплотнения.

Устройство (см. фиг. 1, 2) для уплотнения радиального зазора между статором 1 и ротором 2 энергосиловой машины, например турбомашины, содержит кольцевую обойму 3 с набором выполненных изнутри сотовых вставок 4 и внутреннее вертикальное кольцо 5. Обойма 3 установлена в корпусе статора 1. Вертикальное кольцо 5 выполнено в виде дополнительного уплотнительного гребня ротора 2 и разделяет полость между гребнями 6, 7 с образованием левой и правой кольцевых расширительных камер. Вставки 4 охватывают с радиальным зазором δ кольцевые уплотнительные гребни 5, 6, 7 ротора 2. Открытые стороны 8 сот расположены на внутреннем диаметре вставок 4. Между кольцевыми гребнями 5, 6, 7 ротор 2 содержит равнорасположенные перегородки 9 (см. фиг. 2). Число перегородок 9 ротора 2 при установленной частоте его вращения и длине каналов автоколебания газа в сотах, определено заданным соотношением.

Перегородки 9 между кольцевыми гребнями 6, 7 ротора 2 выполнены поперечными. Соты во вставках 4 выполнены рядами параллельными направлению оси ротора 2.

Глубина h_(сот) каждой соты 4 определена заданным соотношением в зависимости от наиболее длительного режима работы энергосиловой машины, например крейсерского режима работы ГТД в полете.

При работе ГТД (см. фиг. 1), в полых сотах 4 уплотнения создаются колебания давления рабочего тела. При совмещении контуров перегородок 9 с открытыми сторонами 8 сот 4 в последних возбуждаются собственные колебания рабочего тела с частотой, равной произведению частоты вращения ротора 2 турбомашины на число поперечных перегородок 9. Возникающие вследствие этого в сотах 4 пульсирующие потоки рабочего тела в радиальном зазоре δ, направлены перпендикулярно потоку основного рабочего тела, что создает дополнительное сопротивление основному потоку и тем самым уменьшает перетекание рабочего тела в радиальном зазоре и снижает его расход.

Результаты эксперимента для сотового уплотнения радиального зазора, например δ=0,21 мм между ротором и статором с кольцевым заполнителем в виде полых радиальных сот глубиной 5 мм, ротором 2 с перегородками 9 при постоянном радиальном зазоре и постоянном отношении перепада давлений π_у газа на входе в радиальный зазор δ и на выходе из него представлены на фиг. 5. В этом уплотнении поперечные перегородки 9 на вращающемся роторе 2 индуцируют пульсации давления в сотах 4 с частотой, численно равной частоте вращения ротора 2 турбомашины. Во всем исследованном диапазоне изменения режимов работы π_у=1,2-1,8 значения коэффициентов расхода µ для сотовых уплотнений с пульсацией рабочего тела в сотах оказались более низкими, чем в обычном сотовом уплотнении, когда в сотах не возбуждались пульсации давлений. Для случая, когда n=20000 об/мин и π_у=1,2 расход через сотовое уплотнение с пульсацией рабочего тела (воздуха) в сотах снижается вдвое по сравнению с расходом через обычное сотовое уплотнение.

Повышение эффективности сотового уплотнения достигается при совпадении частоты вращения ротора с частотой собственных колебаний рабочего тела в сотах. Зависимость между глубиной сот 4 и числом перегородок 9, при котором в сотах возникает резонанс, определяется из заданного соотношения.

При таком выполнении устройства для уплотнения радиального зазора между статором и ротором энергосиловой машины, появляется возможность снизить перетекание рабочего тела в зазоре между статором и ротором энергосиловой машины и повысить к.п.д. машины.

Claims

1. Устройство для уплотнения радиального зазора между статором и ротором энергосиловой машины, содержащее кольцевую обойму с набором сотовых вставок, установленную в корпусе статора, и внутреннее вертикальное кольцо, где вставки охватывают с радиальным зазором кольцевые уплотнительные гребни ротора, а вертикальное кольцо разделяет полость между гребнями с образованием левой и правой кольцевых расширительных камер, причем открытые стороны сот расположены на едином внутреннем диаметре вставок, отличающееся тем, что вертикальное кольцо между гребнями выполнено в виде дополнительного кольцевого уплотнительного гребня ротора, притом между кольцевыми гребнями ротор содержит равнорасположенные перегородки, причем число перегородок ротора при выбранных частоте его вращения и длине каналов автоколебания газа определено соотношением

где z - число перегородок между кольцевыми гребнями ротора;

h_(com) - глубина соты;

n - частота вращения ротора, с^-1;

Т - температура рабочего тела перед уплотнением, K;

R - газовая постоянная, Дж/(кг∙град);

k - показатель изоэнтропы.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что перегородки между кольцевыми гребнями ротора выполнены поперечными.

3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что набор сотовых вставок выполнен с постоянной глубиной сот.