RU2133345C1

RU2133345C1 - Gas-turbine plant aerodynamic labyrinth screw seal

Info

Publication number: RU2133345C1
Application number: RU98106665A
Authority: RU
Inventors: В.С. Багдасарян; С.В. Багдасарян
Original assignee: Багдасарян Вазген Сергеевич; Багдасарян Сергей Вазгенович
Priority date: 1998-04-14
Filing date: 1998-04-14
Publication date: 1999-07-20

Abstract

FIELD: power engineering, chemical engineering, metallurgy, aeronautical engineering, gas industry, manufacture of pumps. SUBSTANCE: gas-turbine plant includes compressor, turbine and aerodynamic labyrinth screw seals having helical passages of opposite direction made on surface mounted at radial clearance in casings of compressor and turbine on shaft. Seals are of active type; their helical passages are located on inner surfaces of stator rings and on outer surfaces of rotor rings. Geometrical parameters, forms and sizes of threads are stipulated in invention. EFFECT: increased power and productivity of plant. 11 cl, 12 dwg

Description

Изобретение относится к энергетике, химическому машиностроению, металлургии, авиационной промышленности и др., а в частности к турбостроению, газовой промышленности и насосостроению. The invention relates to energy, chemical engineering, metallurgy, the aviation industry, etc., and in particular to turbine engineering, gas industry and pump engineering.

В газотурбинных установках (далее ГТУ), нагнетателях и вентиляторах со стороны всаса из-за высокого вакуума из переднего подшипника пары и капли масла попадают на лопатки компрессора, нагнетателя и вентилятора, а со стороны выхода из турбины из-за утечек горячие газы попадают в машзал и перегревают область заднего подшипника. Due to the high vacuum in the gas turbine units (GTU), blowers and fans, from the front bearing, vapors and droplets of oil fall onto the blades of the compressor, blower and fan, and from the exhaust side of the turbine, hot gases enter the turbine room and overheat the rear bearing area.

Известна ГТУ, подающая рабочую смесь потребителю для участия в химических процессах, из которых рабочая смесь возвращается в рабочую газовую турбину установки, содержащая компрессор, турбину, проточные части которых разделены диафрагмой, лабиринто-винтовое уплотнение (далее ЛВУ), установленное со стороны полости всасывания компрессора и имеющее винтовые каналы противоположного направления, выполненные на установленных с радиальным зазором поверхностях статора и ротора (см. авторское свидетельство СССР N 1645641, кл. F 01 D 25/04, 1991 г.). GTU is known, which supplies the working mixture to the consumer for participation in chemical processes, from which the working mixture is returned to the working gas turbine of the installation, containing a compressor, a turbine, the flow parts of which are separated by a diaphragm, a labyrinth-screw seal (hereinafter HLV), installed on the side of the compressor suction cavity and having screw channels of the opposite direction, made on the surfaces of the stator and rotor installed with a radial clearance (see USSR author's certificate N 1645641, class F 01 D 25/04, 1991).

Однако, как показал опыт эксплуатации ГТУ и газодинамические испытания уплотнения такого типа не могут быть использованы на ГТУ больших и малых мощностей из-за ограниченности конструктивных, геометрических размеров и форм нарезок резьб на противоположных поверхностях колец уплотнения, установленных на роторе и статоре, которые не создают соответствующие аэродинамические характеристики, при которых разрежение создаваемое ЛВУ превышало бы разрежение на всасе ГТУ из-за чего масло от подшипника попадает на лопатки компрессора, что приводит к потере мощности компрессора на 6%, а производительности по газу до 8%. Кроме того в зависимости от вида ГТУ сложен монтаж и демонтаж ЛВУ. However, as shown by operating experience of gas turbines and gas-dynamic tests of seals of this type cannot be used at gas turbines of large and small capacities due to the limited design, geometrical sizes and shapes of threading on opposite surfaces of the seal rings mounted on the rotor and stator, which do not create relevant aerodynamic characteristics, in which the vacuum created by the LHP would exceed the vacuum at the inlet of the gas turbine due to which the oil from the bearing falls on the compressor blades, which This leads to a 6% loss in compressor power, and up to 8% in gas throughput. In addition, depending on the type of gas turbine, the installation and dismantling of the LVU is difficult.

Задачей настоящего изобретения является создание возможности использования ЛВУ во всех типах ГТУ, нагнетателях, вентиляторах для предотвращения попадания паров и капель масла по валу из подшипников со стороны всаса компрессора и выход горячих газов в машзал и разогрев заднего подшипникового узла газами турбины, а также создание упрощенного способа сборки и разборки ГТУ. The objective of the present invention is to create the possibility of using the LHE in all types of gas turbines, blowers, fans to prevent the entry of vapors and oil droplets along the shaft from the bearings from the compressor suction side and the exit of hot gases to the turbine and heating of the rear bearing assembly by turbine gases, as well as the creation of a simplified method assembly and disassembly of gas turbines.

Поставленная задача достигается за счет того, что газотурбинная установка, содержащая компрессор, турбину и лабиринто-винтовое уплотнение, установленное со стороны всасывания компрессора, имеющее винтовые каналы противоположного направления, выполненные на установленных с радиальным зазором поверхностях в корпусе компрессора и на валу, она также снабжена дополнительным лабиринто-винтовым уплотнением, имеющим винтовые каналы противоположного направления, выполненные на установленных с радиальным зазором поверхностях, закрепленных в корпусе турбины со стороны ее выхода и валу, оба уплотнения выполнены активного типа, их винтовые каналы расположены на внутренних поверхностях статорных колец и на наружных поверхностях роторных колец, закрепленных соответственно в корпусах компрессора и турбины, и на валу, число зубьев резьб роторных колец равно 6 - 250, статорных 8 - 280, для резьб всех колец угол подъема равен 5 - 85^o, высота зубьев 2 - 30 мм, шаг резьб 1 - 48 мм, угол конуса зуба не более 46^o, ширина верхней площадки зуба не более 25 мм, а радиальный зазор не более 5 мм. Уплотнения могут быть выполнены с трапециодальной многозаходной, ленточной, дугообразной резьбой, или резьбой по форме лопаток компрессора или турбины. Посадочная поверхность статорных колец снабжена выступами в виде штырей прямоугольной или цилиндрической формы, с трапециамальным или конусным скосом в конце которые выполнены шириной или диаметром не более 30 мм, высотой не более 20 мм. Статорные кольца выполнены с радиальными шлицами, расположенными с двух или четырех противоположных сторон по центру ширины колец, длиной не более трех резьбовых шагов, глубиной не более 30 мм и шириной не более 25 мм. Ширина статорных и роторных колец равна 10 - 250 мм в зависимости от диаметра вала.The task is achieved due to the fact that the gas turbine installation containing a compressor, a turbine and a labyrinth screw seal installed on the suction side of the compressor, having screw channels of the opposite direction, made on surfaces with a radial clearance in the compressor housing and on the shaft, it is also equipped an additional labyrinth-screw seal having screw channels of the opposite direction, made on surfaces fixed with a radial clearance, fixed in the turbine casing from the side of its outlet and to the shaft, both seals are made of the active type, their screw channels are located on the inner surfaces of the stator rings and on the outer surfaces of the rotor rings fixed respectively in the compressor and turbine casings, and on the shaft, the number of teeth of the threads of the rotor rings is 6 - 250, stator 8 - 280, for the threads of all rings the elevation angle is 5 - 85 ^o , the tooth height is 2 - 30 mm, the thread pitch is 1 - 48 mm, the angle of the tooth cone is not more than 46 ^o , the width of the upper tooth area is not more than 25 mm, and a radial clearance of not more than 5 mm. Seals can be made with a trapezoidal multi-start, tape, arcuate thread, or a thread in the shape of compressor blades or turbines. The landing surface of the stator rings is provided with protrusions in the form of pins of a rectangular or cylindrical shape, with a trapezoidal or tapered bevel at the end which are made with a width or diameter of not more than 30 mm, a height of not more than 20 mm. The stator rings are made with radial slots located on two or four opposite sides in the center of the ring width, a length of not more than three threaded steps, a depth of not more than 30 mm and a width of not more than 25 mm. The width of the stator and rotor rings is 10 - 250 mm, depending on the diameter of the shaft.

На фиг. 1 изображена схема газотурбинной установки; на фиг.2 - схема расположения статорных и роторных колец; на фиг.3 - схема размещения шлицев на не разрезном статорном кольце; на фиг.4 - вид сверху на не разрезное статорное кольцо; на фиг.5 - фрагмент шлица и штыря на статорном кольце; на фиг. 6 - статорное кольцо; на фиг. 7 - вид А фиг.6; на фиг.8 - роторное кольцо; на фиг. 9 - вид Б фиг.8; на фиг.10 - фрагмент крепления роторного кольца к валу; на фиг.11 - поперечный вид статорного кольца; на фиг.12 - вид С фиг.11. In FIG. 1 shows a diagram of a gas turbine installation; figure 2 - arrangement of stator and rotor rings; figure 3 - layout of the slots on a non-split stator ring; figure 4 is a top view of a non-split stator ring; figure 5 is a fragment of the slot and the pin on the stator ring; in FIG. 6 - stator ring; in FIG. 7 is a view A of FIG. 6; on Fig - rotary ring; in FIG. 9 is a view B of FIG. 8; figure 10 is a fragment of the mounting of the rotor ring to the shaft; figure 11 is a transverse view of the stator ring; figure 12 is a view C of figure 11.

Газотурбинная установка содержит компрессор 1, турбину 2 и лабиринто-винтовое уплотнение 3, установленное со стороны всасывания 4 компрессора 1, имеющее винтовые каналы противоположного направления, выполненные на установленных с радиальным зазором δ поверхностях, закрепленных в корпусе 5 компрессора 1 и на валу 6. Установка снабжена дополнительными ЛВУ 7, 8, имеющими винтовые каналы противоположного направления, выполненные на установленных с радиальным зазором δ поверхностях, закрепленных в корпусе 9 турбины 2 со стороны ее всаса 10 в случае установа турбины отдельным модулем и выхода 11 и на валу 6. Все уплотнения 3, 7, 8 выполнены активного типа. Их винтовые каналы расположены на внутренних поверхностях статорных колец 12, 13, 14 и наружных поверхностях роторных колец 15, 16, 17, закрепленных в корпусах 5, 9 компрессора 1 и турбины 2, и на валу 6. Число зубьев резьб статорных колец 12, 13, 14 равно 8 - 280, роторных колец 15, 16, 17 - 6 - 250. Для резьб всех колец угол подъема α равен 5 - 85^o, высота зубьев 2 - 30 мм, шаг резьб 1 - 48 мм, угол конуса γ зуба не более 46^o, ширина β верхней площадки зуба не более 25 мм. Радиальный зазор δ выполнен не более 5 мм. Резьба может быть трапециодальной, многозаходной, ленточной, дугообразной, по форме лопаток компрессора 1, турбины 2 или другой, обеспечивающей большой захват газа с целью уменьшения количества резьб и удешевления стоимости изготовления колец. Длина нарезки резьбы определяется в зависимости от диаметра кольца, угла подъема α резьб и ширины H кольца. Ширина H колец в зависимости от диаметра вала 6 и площадки для установления статорных колец 12, 13, 14 лежит в интервале 10 - 250 мм. Роторное кольцо (15, 16, 17) устанавливается на вал 6 горячей посадкой и дополнительно крепится 2 - 4 стопорными винтами, которые после установки должны быть закреплены во избежание выворачивания от вибраций. Статорные кольца 12, 13, 14 устанавливаются вместе с валом 6, с собранными роторными кольцами 15, 16, 17, предварительно между статорными и роторными кольцами 12 - 17 при сборке устанавливается фольга несколько более широкой, чем ширина колец и толщиной несколько меньшей зазора между кольцами так, чтобы после сборки фольгу можно было удалить. Это делается с целью обеспечения безошибочного сохранения зазора между статорными и роторными 12 - 17 кольцами ЛВУ.The gas turbine installation comprises a compressor 1, a turbine 2 and a labyrinth-screw seal 3 mounted on the suction side 4 of the compressor 1, having screw channels of the opposite direction, made on surfaces mounted with a radial clearance δ, fixed in the housing 5 of the compressor 1 and on the shaft 6. Installation equipped with additional LVTs 7, 8 having screw channels of the opposite direction, made on surfaces installed with a radial clearance δ, fixed in the casing 9 of the turbine 2 from its suction side 10 in case establish a separate module and the turbine outlet 11 and the shaft 6. All seals 3, 7, 8 are made active type. Their screw channels are located on the inner surfaces of the stator rings 12, 13, 14 and the outer surfaces of the rotor rings 15, 16, 17, fixed in the housings 5, 9 of the compressor 1 and the turbine 2, and on the shaft 6. The number of teeth of the threads of the stator rings 12, 13 , 14 is 8 - 280, rotor rings 15, 16, 17 - 6 - 250. For the threads of all rings, the elevation angle α is 5 - 85 ^o , the height of the teeth is 2 - 30 mm, the pitch of the threads is 1 - 48 mm, the cone angle γ of the tooth not more than 46 ^o , width β of the upper tooth area not more than 25 mm. The radial clearance δ is made no more than 5 mm. The thread can be trapezoidal, multi-start, tape, arcuate, in the shape of compressor blades 1, turbine 2 or another, providing a large gas capture in order to reduce the number of threads and reduce the cost of manufacturing rings. The length of the thread is determined depending on the diameter of the ring, the angle of elevation α of the threads and the width H of the ring. The width H of the rings, depending on the diameter of the shaft 6 and the platform for establishing the stator rings 12, 13, 14, lies in the range of 10 - 250 mm. The rotor ring (15, 16, 17) is mounted on the shaft 6 by a hot fit and is additionally fastened with 2 - 4 locking screws, which after installation must be secured to prevent inversion from vibration. The stator rings 12, 13, 14 are installed together with the shaft 6, with the assembled rotor rings 15, 16, 17, preliminarily between the stator and rotor rings 12 - 17, when assembling, the foil is set slightly wider than the width of the rings and the thickness is slightly less than the gap between the rings so that after assembly the foil can be removed. This is done in order to ensure error-free preservation of the gap between the stator and rotor 12-17 rings of the LVL.

Возможны случаи, когда для упрощения сборки и разборки ГТУ имеет статорные кольца 12, 13, 14 выполненные разрезанными на две половины. Статорные полукольца устанавливаются и крепятся 1 - 4-я стопорными винтами 20 крепления раздельно на корпусе компрессора 1 и турбины 2, а также их крышке и при сборке устанавливается прокладка с 2-х сторон так, чтобы сохранить диаметр колец и одинаковый зазор δ по окружности между статорными и роторными кольцами 12 - 17. Посадочная поверхность статорного кольца 12, 13, 14 (разрезанного и не разрезанного) по окружности с двух сторон по краям имеет выступы прямоугольной формы шириной до 30 мм и высотой до 5 мм в зависимости от диаметра кольца, но может быть и гладкой. Выступы делаются для точной посадочной ориентации статорных колец 12 - 14, на заготовленное для них место на корпусе 5, 9 компрессора 1 и турбины 2, а также их крышек, с тем чтобы не было осевых перемещений. Для обеспечения оптимальной аэродинамической ориентации колец, с 2-х или 4-х диаметрально противоположных сторон по центру ширины колец прорезаются радиальные шлицы 18 длиной не более 3-х резьбовых шагов, глубиной до 30 мм и шириной не более 25 мм. В шлицы 18 входят штыри 19 диаметром не более 25 мм с минусовым допуском, которые устанавливаются радиально по центру ширины площадки посадки колец на корпусах 5, 9 компрессора 1 и турбины 2 и их крышек. Статорные кольца 12 - 14 и шлицы 18 со штырями 19 устанавливаются скользящей посадкой, концы штырей 19 выполняются конусом. Это условие обеспечивает повышение эффективности ЛВУ на 3 - 4%. Если статорные кольца 12 - 14 имеют гладкую посадочную поверхность, то они устанавливаются аналогично описанному выше. There are cases when, to simplify the assembly and disassembly, the gas turbine has stator rings 12, 13, 14 made cut into two halves. The stator half rings are installed and fastened with 1 - 4 locking screws 20 for mounting separately on the compressor housing 1 and turbine 2, as well as their cover and during assembly, a gasket is installed from 2 sides so as to maintain the diameter of the rings and the same gap δ around the circumference between stator and rotor rings 12 - 17. The seating surface of the stator ring 12, 13, 14 (cut and not cut) around the edges on both sides has projections of a rectangular shape up to 30 mm wide and up to 5 mm high, depending on the diameter of the ring, but maybe life and smooth. The protrusions are made for the exact landing orientation of the stator rings 12-14, to the place reserved for them on the housing 5, 9 of the compressor 1 and turbine 2, as well as their covers, so that there are no axial movements. To ensure the optimal aerodynamic orientation of the rings, radial slots 18 are cut from 2 or 4 diametrically opposite sides in the center of the ring width, with a length of no more than 3 threaded steps, a depth of 30 mm and a width of no more than 25 mm. The slots 18 include pins 19 with a diameter of not more than 25 mm with a minus tolerance, which are installed radially in the center of the width of the landing area of the rings on the bodies 5, 9 of the compressor 1 and turbine 2 and their covers. The stator rings 12 - 14 and the slots 18 with the pins 19 are installed by a sliding fit, the ends of the pins 19 are made by a cone. This condition provides an increase in the efficiency of HLW by 3 - 4%. If the stator rings 12 to 14 have a smooth seating surface, then they are installed as described above.

ЛВУ при работе должно создавать перепад давления превышающий разряжение на входе в первую ступень компрессора 1. В этом случае ЛВУ создает газодинамическое давление на область подшипника, противодействуя выходу смазочного масла. Отсутствие масла на лопатках компрессора 1 позволяет восстановить проектную мощность ГТУ, нагнетателей и вентиляторов, а также подавать на технологические процессы чистый газ. During operation, the LVL should create a pressure drop exceeding the vacuum at the inlet to the first stage of compressor 1. In this case, the LVL creates gas-dynamic pressure on the bearing area, counteracting the release of lubricating oil. The absence of oil on the compressor blades 1 allows you to restore the design capacity of gas turbines, blowers and fans, as well as supply clean gas to the processes.

Конструктивные, геометрические размеры и формы нарезок в ЛВУ должны быть такими, при которых создаваемый перепад давлений превышающий разряжение на входе в первую ступень компрессора 1 не должно быть выше чем на 80 - 100 мм вод. ст., в противном случае при меньшем перепаде масло будет продолжать попадать на лопатки компрессора 1 или при большем перепаде будет происходить обратное перетекание газа, а следовательно, падение мощности и производительности. The structural, geometric dimensions and shapes of the cuts in the LVL should be such that the pressure drop created exceeding the vacuum at the inlet to the first stage of compressor 1 should not be higher than 80 - 100 mm of water. Art., otherwise, with a smaller drop, the oil will continue to fall onto the compressor blades 1 or, with a larger drop, the gas will flow back, and consequently, a drop in power and productivity.

Claims

1. A gas turbine installation with an aerodynamic labyrinth-screw seal, comprising a compressor, a turbine and a labyrinth-screw seal installed on the suction side of the compressor, having screw channels of the opposite direction, made on surfaces with a radial clearance in the compressor and turbine housing and on the shaft, characterized the fact that the installation is equipped with an additional labyrinth-screw seal having screw channels of the opposite direction, made on installed with radial the gap of the surfaces fixed in the turbine housing from the outlet side and on the shaft, both seals are made of the active type, their screw channels are located on the inner surfaces of the stator rings and the outer surfaces of the rotor rings fixed respectively in the compressor and turbine housings and on the shaft, the number of thread teeth the rotor rings are 6 - 250, the stator rings are 8 - 280, for the threads of all rings the elevation angle is 5 - 85 ^o , the tooth height is 2 - 30 mm, the thread pitch is 1 - 48 mm, the angle of the tooth cone is not more than 46 ^o , the width of the upper platform tooth no more than 25 mm, but for the sake of flax gap not more than 5 mm.

2. Installation according to claim 1, characterized in that the seals are made with a trapezoidal, multi-thread.

3. Installation according to claim 1, characterized in that the seals are made with a tape thread.

4. Installation according to claim 1, characterized in that the seals are made with an arcuate thread.

5. Installation according to claim 1, characterized in that the seals are threaded in the shape of compressor blades.

6. Installation according to claim 1, characterized in that the seals are threaded in the form of turbine blades.

7. Installation according to claim 1, characterized in that the landing surface of the stator rings is provided with protrusions in the form of pins of a rectangular or cylindrical shape with a trapezoidal or conical bevel at the end.

8. Installation according to claim 7, characterized in that the protrusions or pins are made with a width or diameter of not more than 30 mm and a height of not more than 20 mm.

9. Installation according to claims 7 and 8, characterized in that the stator rings are made with radial pins located on two or four opposite sides in the center of the ring width, a length of not more than three threaded steps, a depth of not more than 30 mm and a width of not more than 25 mm

10. Installation according to claim 1, characterized in that the width of the stator rings is 10 to 250 mm, depending on the diameter of the shaft.

11. Installation according to claim 1, characterized in that it is equipped with an additional labyrinth-screw seal located on the suction side of the turbine if it is installed as a separate module.