RU155949U1

RU155949U1 - DEVICE FOR SEALING RADIAL GAP BETWEEN STATOR AND TURBO MACHINE ROTOR

Info

Publication number: RU155949U1
Application number: RU2015113535/05U
Authority: RU
Inventors: Акакий Арташевич Церетели; Андрей Александрович Ельшин
Priority date: 2015-04-14
Filing date: 2015-04-14
Publication date: 2015-10-20

Abstract

Устройство для уплотнения радиального зазора между статором и ротором турбомашины, содержащее установленный в корпусе статора неподвижный обод с выполненным в нем кольцевым набором радиальных сотовых ячеек, которые охватывают по окружности с зазором безбандажный лопаточный венец рабочего колеса ступени турбомашины и открыты со стороны венца, отличающееся тем, что глубина каждой ячейки для выбранных числа лопаток и частоты вращения рабочего колеса определена соотношениемгдеn - частота вращения рабочего колеса, с;h- глубина сотовых ячеек;z - число лопаток рабочего колеса;Т - температура рабочего телаперед лопатками рабочего колеса, K;R - газовая постоянная, Дж/кг град;k - показатель изоэнтропы.A device for sealing the radial clearance between the stator and the rotor of the turbomachine, comprising a fixed rim mounted in the stator housing with an annular set of radial honeycomb cells made therein, which cover the circumferenceless gap of the blade vane of the impeller of the turbomachine stage and are open from the crown, characterized in that that the depth of each cell for the selected number of blades and the frequency of rotation of the impeller is determined by the ratio where n is the frequency of rotation of the impeller, s; h is the depth of the cells a; z - number of impeller blades, T - temperature of the working telapered impeller blades, K; R - gas constant J / kg °; k - index isentrope.

Description

Полезная модель относится к роторным машинам и может быть использована для уменьшения перетекания рабочего тела (газа, воздуха) в радиальных зазорах между статором и ротором.The utility model relates to rotary machines and can be used to reduce the flow of the working fluid (gas, air) in the radial clearances between the stator and the rotor.

Уменьшение перетекания рабочего тела в радиальном зазоре между статором и ротором является значительным резервом улучшения характеристик турбомашин. При уменьшении утечек на 1% кпд ступени турбомашины увеличивается на 1,6-2,0%. Чем больше перепад давления рабочего тела срабатываемый в турбине и чем больше степень реактивности, тем сильнее проявляется влияние утечек в радиальном зазоре на кпд турбомашины.Reducing the flow of the working fluid in the radial clearance between the stator and the rotor is a significant reserve for improving the performance of turbomachines. With a decrease in leakage of 1%, the efficiency of a turbomachine stage increases by 1.6-2.0%. The greater the differential pressure of the working fluid triggered in the turbine and the greater the degree of reactivity, the more pronounced is the effect of leaks in the radial clearance on the efficiency of the turbomachine.

С повышением температуры рабочего тела и его степени сжатия стабилизация радиального зазора и уменьшение утечек в турбомашине усложняется.With increasing temperature of the working fluid and its compression ratio, stabilization of the radial clearance and reduction of leaks in the turbomachine becomes more complicated.

В практике турбостроения обычно используются соты шестигранного сечения с ячейками, оси которых нормальны к направлению течения рабочего тела в зазоре между статором и ротором (патент РФ №2039872) или с ячейками, установленными с наклоном против течения потока в уплотнении (патент США №4466772).In the practice of turbine construction, hexagonal cells with cells whose axes are normal to the direction of flow of the working fluid in the gap between the stator and rotor (RF patent No. 2039872) or with cells installed with an inclination against the flow in the seal (US patent No. 4466772) are usually used.

Также существуют технические решения, основанные на возможности возбуждения пульсаций давления в сотовых ячейках турбомашины (патент РФ №2033527). 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 ячейку сотового элемента. Пульсирующее в ячейках рабочее тело, взаимодействуя с основным течением в зазоре между подвижным и неподвижным элементами уплотнения турбомашины создает дополнительное гидравлическое сопротивление, что позволяет снизить утечки основного течения рабочего тела через уплотнение.There are also technical solutions based on the possibility of exciting pressure pulsations in the cells of a turbomachine (RF patent No. 2033527). The labyrinth seal of the radial clearance of the turbomachine contains a honeycomb element on the stator and scallops on the rotor located with the formation of annular grooves between them. Moreover, the combs are made cylindrical with a thickness equal to the diameter of the circle inscribed in the cell of the honeycomb element. The working fluid pulsating in the cells, interacting with the main flow in the gap between the movable and stationary elements of the turbomachine seal, creates additional hydraulic resistance, which allows to reduce leakages of the main flow of the working fluid through the seal.

Механизм влияния пульсаций рабочего тела в ячейках статора на величину утечки рабочего тела (или коэффициент расхода) в уплотнении обусловлен в основном следующим. Втекающее в ячейки при повышении в них давления, а затем вытекающее из них при понижении давления рабочее тело имеет нулевую 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. Данное техническое решение полезно использовать для цилиндрических поверхностей больших размеров, но не пригодно для уплотнения торцов рабочих лопаток.The mechanism of influence of the pulsations of the working fluid in the stator cells on the amount of leakage of the working fluid (or flow coefficient) in the seal is mainly due to the following. Flowing into the cells with increasing pressure, and then flowing out of them with decreasing pressure, the working fluid has zero velocity in the direction of the main flow. As a result of this, when both flows are mixed and the momentum is exchanged, a corresponding decrease in the velocity of the main flow occurs, i.e. the amount of leakage of the working fluid is reduced. This technical solution is useful for large cylindrical surfaces, but is not suitable for sealing the ends of working blades.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является устройство для уплотнения радиального зазора между статором и ротором турбины (патент РФ №2511818). Устройство включает, установленный в наружных корпусах, неподвижный обод охватывающий ротор с расположенными на нем по кругу лопатками. На радиальной внутренней поверхности обода находятся гребешки, образующие желобки. Неподвижный обод выполнен в виде закрепленного между фланцами пакета параллельных пластин. Гребешки и желобки обода образованы пластинами, высота и толщина которых выполнены такими, что образуют в наборе систему выступов и ячеек в продольном сечении, а также дополнительную систему выступов и ячеек в поперечном сечении. При этом пакет пластин жестко фиксируется относительно фланцев. При работе турбины, когда рабочие лопатки вращаются, они пересекают систему выступов и ячеек в поперечном сечении и создаются колебания давления рабочего тела в ячейках. Причем совмещение рабочих лопаток с ячейками обода возбуждает в ячейках колебания рабочего тела с частотой, равной произведению частоты вращения ротора на число лопаток рабочего колеса. Возникающий вследствие этого в ячейках над рабочими лопатками пульсирующий поток рабочего тела, направленный нормально к направлению основного течения рабочего тела в радиальном зазоре, создает дополнительное сопротивление основному потоку и тем самым уменьшает перетекание рабочего тела в радиальном зазоре, т.е. снижает расход рабочего тела.Closest to the proposed technical solution is a device for sealing the radial clearance between the stator and the turbine rotor (RF patent No. 2511818). The device includes, installed in the outer housings, a stationary rim covering the rotor with blades located on it in a circle. On the radial inner surface of the rim are scallops forming grooves. The fixed rim is made in the form of a package of parallel plates fixed between the flanges. The combs and grooves of the rim are formed by plates whose height and thickness are such that they form a system of protrusions and cells in a longitudinal section in the set, as well as an additional system of protrusions and cells in a cross section. In this case, the package of plates is rigidly fixed relative to the flanges. During turbine operation, when the working blades rotate, they intersect the system of protrusions and cells in cross section and pressure fluctuations of the working fluid in the cells are created. Moreover, the combination of the rotor blades with the rim cells excites the vibrations of the working fluid in the cells with a frequency equal to the product of the rotor speed and the number of rotor blades. The pulsating flow of the working fluid that arises as a result of this in the cells above the working blades, directed normally to the direction of the main flow of the working fluid in the radial clearance, creates additional resistance to the main flow and thereby reduces the flow of the working fluid in the radial clearance, i.e. reduces the consumption of the working fluid.

Однако, в этом наиболее близком техническом решении не в полной мере реализованы возможности увеличения пульсаций рабочего тела в ячейках и достижения наибольшей эффективности уплотнения радиального зазора турбомашины.However, in this closest technical solution, the possibilities of increasing the pulsations of the working fluid in the cells and achieving the greatest sealing efficiency of the radial clearance of the turbomachine are not fully realized.

В основу полезной модели положено решение задачи повышения эффективность уплотнения радиального зазора турбомашины посредством увеличения давления пульсаций рабочего тела в ячейках.The utility model is based on solving the problem of increasing the efficiency of compaction of the radial clearance of a turbomachine by increasing the pressure of the pulsations of the working fluid in the cells.

Техническим результатом полезной модели является уменьшение утечек рабочего тела в радиальном зазоре между ротором и статором с повышением кпд турбомашины.The technical result of the utility model is to reduce the leakage of the working fluid in the radial clearance between the rotor and the stator with an increase in the efficiency of the turbomachine.

Поставленная задача решается тем, что устройство для уплотнения радиального зазора между статором и ротором турбомашины содержит установленный в корпусе статора неподвижный обод с выполненным в нем набором радиальных сотовых ячеек. Ячейки охватывают по окружности с зазором безбандажный лопаточный венец рабочего колеса ступени турбомашины и открыты со стороны венца.The problem is solved in that the device for sealing the radial clearance between the stator and the turbomachine rotor contains a fixed rim mounted in the stator housing with a set of radial honeycombs made in it. The cells span a circumference with a gap, the bandless blade rim of the impeller of the turbomachine stage and are open from the rim side.

Новым в полезной модели является то, что глубина каждой ячейки для выбранных числа лопаток и частоты вращения рабочего колеса определена соотношением:New in the utility model is that the depth of each cell for the selected number of blades and the frequency of rotation of the impeller is determined by the ratio:

гдеWhere

n - частота вращения рабочего колеса [сек.^-1];n is the frequency of rotation of the impeller [sec. ^-1 ];

h_сот - глубина сотовых ячеек;h _honeycomb - the depth of the cells;

z - число лопаток рабочего колеса;z is the number of impeller blades;

T - температура рабочего тела перед лопатками рабочего колеса [К];T is the temperature of the working fluid in front of the blades of the impeller [K];

R - газовая постоянная [Дж/кг град];R is the gas constant [J / kg deg];

K - показатель изоэнтропы.K is an indicator of isentropes.

Связь глубины каждой ячейки для заданного числа лопаток и частоты вращения ротора по заданному соотношению обеспечивает резонанс в ячейках, который взаимодействуя с основным потоком, оказывает дополнительное сопротивление основному течению потока рабочего тела в радиальном зазоре и позволяет снизить величину утечки рабочего тела в радиальном зазоре.The relationship between the depth of each cell for a given number of blades and the rotor speed according to a given ratio provides resonance in the cells, which, interacting with the main flow, provides additional resistance to the main flow of the working fluid flow in the radial clearance and reduces the amount of leakage of the working fluid in the radial clearance.

Указанные существенные признаки полезной модели обеспечивают решение поставленной задачи, так как аэродинамическое сопротивление утечкам рабочего тела усилено за счет возбуждения пульсаций давления в сотовых ячейках с частотой, равной частоте собственных колебаний рабочего тела в ячейках, т.е. при резонансе, который возникает при заданном соотношении между геометрическими параметрами уплотнения и параметрами, определяющими режим работы турбомашины. При этом амплитуда пульсаций давления и количество пульсирующего в сотовых ячейках рабочего тела возрастают, что приводит к еще большему снижению утечки основного течения газа через уплотнение.These essential features of the utility model provide a solution to the problem, since the aerodynamic resistance to leaks of the working fluid is enhanced by the excitation of pressure pulsations in the cells with a frequency equal to the frequency of the natural vibrations of the working fluid in the cells, i.e. at a resonance that occurs at a given ratio between the geometric parameters of the seal and the parameters that determine the operating mode of the turbomachine. At the same time, the amplitude of pressure pulsations and the amount of working fluid pulsating in the cell cells increase, which leads to an even greater decrease in the leakage of the main gas flow through the seal.

Таким образом, решена поставленная в полезной модели задача - повышена эффективность уплотнения радиального зазора турбомашины посредством увеличения давления пульсаций рабочего тела в сотовых ячейках. Техническим результатом полезной модели является уменьшение утечек рабочего тела в радиальном зазоре между статором и ротором с повышением кпд турбомашины.Thus, the problem posed in the utility model is solved: the sealing efficiency of the radial clearance of the turbomachine is increased by increasing the pressure of the pulsations of the working fluid in the cells. The technical result of the utility model is to reduce the leakage of the working fluid in the radial clearance between the stator and the rotor with an increase in the efficiency of the turbomachine.

Настоящая полезная модель поясняется последующим описанием конструкции сотового уплотнения радиального зазора турбомашины и его работы со ссылками на иллюстрации, представленные на фиг. 1-4, где:The present utility model is illustrated by the following description of the design of the honeycomb seal of the radial clearance of the turbomachine and its operation with reference to the illustrations shown in FIG. 1-4, where:

на фиг. 1 представлено схематично устройство для уплотнения радиального зазора между статором и ротором турбомашины;in FIG. 1 shows schematically a device for sealing a radial clearance between a stator and a turbomachine rotor;

на фиг. 2 - разрез А-А на фиг. 1;in FIG. 2 is a section AA in FIG. one;

на фиг. 3 - вид на сотовое уплотнение радиального зазора турбомашины со стороны рабочего колеса в аксонометрической проекции;in FIG. 3 is a view of the honeycomb seal of the radial clearance of the turbomachine from the side of the impeller in a perspective view;

на фиг. 4 - график изменения коэффициента расхода сотового уплотнения с постоянным радиальным зазором δ=0,21 мм между статором и ротором в зависимости от частоты вращения n рабочего колеса и различных отношений давления π_у=Pвх/Pвых,in FIG. 4 is a graph of the flow coefficient of the honeycomb seal with a constant radial clearance δ = 0.21 mm between the stator and rotor depending on the rotational speed n of the impeller and various pressure ratios π _у = Pin / Pout,

где P_вх давление рабочего тела перед уплотнением,where P _{in the} pressure of the working fluid before the seal,

P_вых - давление рабочего тела после уплотнения.P _o - pressure of the working fluid after compaction.

Устройство (см. фиг. 1, 2) для уплотнения радиального зазора δ между статором 1 и ротором 2 турбомашины содержит установленный в корпусе 3 статора 1 неподвижный обод 4 с выполненным в нем изнутри набором радиальных сотовых ячеек 5. Ячейки 5 охватывают по окружности с зазором безбандажный лопаточный венец 6 рабочего колеса 7 ступени турбомашины и открыты со стороны венца.The device (see Fig. 1, 2) for sealing the radial gap δ between the stator 1 and the turbomachine rotor 2 contains a fixed rim 4 mounted in the housing 3 of the stator 1 with a set of radial honeycomb cells made inside it. Cells 5 cover a circumference with a gap the bandless blade wreath 6 of the impeller 7 of the turbomachine stage and open from the side of the crown.

Глубина h_сот каждой ячейки 5 для выбранных числа лопаток 8 и частоты вращения рабочего колеса 7 определена заданным соотношением в зависимости от наиболее длительного режима работы двигателя, например крейсерского режима работы ГТД.The depth h of the _{cells of} each cell 5 for the selected number of blades 8 and the rotational speed of the impeller 7 is determined by a predetermined ratio depending on the longest operating mode of the engine, for example, cruising GTE operation mode.

При работе турбомашины (см. фиг. 1), когда рабочие лопатки 8 вращаются, в сотовых уплотнениях создаются колебания давления рабочего тела. При совмещении контуров торцов рабочих лопаток 8 с сотовыми ячейками 5 в ячейках 5 возбуждаются колебания рабочего тела с частотой, равной произведению частоты вращения рабочего колеса 7 на число лопаток 8 рабочего колеса 7. Возникающий вследствие этого в полых ячейках 5 пульсирующий поток рабочего тела, направленный нормально к направлению основного течения рабочего тела в радиальном зазоре δ, создает дополнительное сопротивление основному потоку и тем самым уменьшает перетекание рабочего тела в радиальном зазоре и снижает его коэффициент расхода.When the turbomachine is operating (see Fig. 1), when the working blades 8 rotate, pressure fluctuations of the working fluid are created in the honeycomb seals. When combining the contours of the ends of the blades 8 with the honeycomb cells 5 in the cells 5, the vibrations of the working fluid are excited with a frequency equal to the product of the rotational speed of the working impeller 7 by the number of blades 8 of the impeller 7. The pulsating flow of the working fluid resulting from this in the hollow cells 5 is directed normally to the direction of the main flow of the working fluid in the radial gap δ, creates additional resistance to the main flow and thereby reduces the flow of the working fluid in the radial gap and reduces its coefficient nt expense.

Результаты эксперимента для сотового уплотнения радиального зазора с кольцевым заполнителем в виде радиальных ячеек глубиной 5 мм и диском с 60 перегородками (аналогичными лопаткам) при постоянном радиальном зазоре, например δ=0,21 мм и постоянном отношении перепада давлений π_урабочего тела на входе в радиальный зазор 8 и на выходе из него представлены на фиг. 4. В этом сотовом уплотнении поперечные перегородки на вращающемся диске индуцируют пульсации давления в сотовых ячейках 5 с частотой, численно равной частоте вращения рабочего колеса турбомашины. Во всем исследованном диапазоне изменения режимов работы значения коэффициентов расхода µ для сотовых уплотнений с пульсацией рабочего тела в ячейках оказались более низкими, чем в обычном сотовом уплотнении, когда в ячейках 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 ячейках снижается вдвое по сравнению с расходом через обычное сотовое уплотнение.The experimental results for a cellular seal of a radial gap with an annular filler in the form of radial cells with a depth of 5 mm and a disk with 60 baffles (similar to blades) with a constant radial clearance, for example, δ = 0.21 mm and a constant pressure drop π of _the working fluid at the inlet radial clearance 8 and at the exit from it are presented in FIG. 4. In this honeycomb seal, the transverse partitions on the rotating disk induce pressure pulsations in the cells 5 with a frequency numerically equal to the rotational speed of the impeller of the turbomachine. Over the entire range of operating modes studied, the values of the flow coefficients µ for honeycomb seals with pulsation of the working fluid in the cells were lower than in conventional honeycomb seals when pressure pulsations were not excited in the cells. For the case when n = 20,000 rpm and π _y = 1.2, the flow rate through the honeycomb seal with pulsation of the working fluid (air) in the cells is halved compared to the flow rate through a conventional honeycomb seal.

Повышение эффективности сотового уплотнения достигается при совпадении частоты вращения рабочего колеса с частотой собственных колебаний рабочего тела в ячейках. Зависимость между глубиной сотовых ячеек и числом лопаток рабочего колеса, при котором в ячейках возникает резонанс, определяется из заданного соотношения.An increase in the efficiency of the honeycomb seal is achieved when the frequency of rotation of the impeller coincides with the frequency of natural vibrations of the working fluid in the cells. The relationship between the depth of the cells and the number of impeller blades, at which resonance occurs in the cells, is determined from a given ratio.

При таком выполнении устройства для уплотнения радиального зазора между статором и ротором турбомашины, появляется возможность снизить перетекание рабочего тела между торцами сотовых ячеек и торцами концевой части лопаток рабочего колеса обращенных навстречу друг другу и повысить кпд турбомашины.With this embodiment of the device for sealing the radial clearance between the stator and the rotor of the turbomachine, it becomes possible to reduce the flow of the working fluid between the ends of the honeycomb cells and the ends of the end part of the impeller blades facing each other and increase the efficiency of the turbomachine.

Claims

A device for sealing the radial clearance between the stator and the rotor of the turbomachine, comprising a fixed rim mounted in the stator housing with an annular set of radial honeycomb cells made therein, which cover the circumferenceless gap of the blade vane of the impeller of the turbomachine stage and are open from the crown, characterized in that that the depth of each cell for the selected number of blades and the frequency of rotation of the impeller is determined by the ratio

Where

n is the frequency of rotation of the impeller, s ^-1 ;

h _com is the depth of the cells;

z is the number of impeller blades;

T is the temperature of the working fluid

in front of the impeller blades, K;

R is the gas constant, J / kg deg;

k is an indicator of isentropes.