UA74645C2 - Appliance for untight seal - Google Patents

Description

Опис винаходу

Даний винахід стосується пристрою для негерметичного ущільнення проміжку між статором і ротором 2 турбомашини відповідно до обмежувальної частини п. 1 формули винаходу.

У контексті даного винаходу під турбомашинами маються на увазі лопаткові машини, які споживають потужність і які віддають потужність, зі статором і ротором, такі як компресори, помпи і турбіни.

Запропонований у винаході пристрій призначений для використання насамперед у газових турбінах принаймні частково осьового типу, призначених для мобільного і стаціонарного застосування, однак може 70 використовуватися, наприклад, і в парових турбінах. При цьому конкретно мова йде про ущільнення на ділянці, розташованій радіально всередині власне проточного каналу між напрямними лопатками і ротором. У газотурбінній техніці цю ділянку часто називають внутрішнім повітряним ущільненням.

Пристрій вказаного на початку опису типу для внутрішнього повітряного ущільнення, який має щіткове ущільнювальне кільце, яке відноситься до статора і закріплене на хвостовиках напрямних лопаток за допомогою 79 спицевого центрувального пристрою, яке у взаємодії з циліндричною поверхнею ротора утворює бар'єр, який має певну проникність для текучого середовища, описаний в заявці ОЕ 19628559 А1. Переваги, пов'язані з використанням спицевого центрувального пристрою, виявляються насамперед у тих конструкціях, у яких термічні впливи приводять до істотної зміни розмірів співвісно розташованих і з'єднаних одна з одною деталей і в результаті до значної зміни їх взаємного положення одна відносно одної. Оскільки сусідні деталі можуть піддаватися абсолютно різному термічному навантаженню і мати показники теплоємності, які значно відрізняються між собою, одна з деталей може, наприклад, розширюватися раніше, швидше або в більшому ступені в порівнянні з іншою, сусідньою з нею деталлю. Спицевий центрувальний пристрій має принаймні три рівномірно розподілених по обводу охоплюваної деталі опори, кожна з яких має деяку радіальну відносну рухливість. При цьому виходять з того, що деталі розширюються і скорочуються рівномірно, тобто зміна їх с розмірів по суті не супроводжується зміною їх форми. На практиці подібне припущення в багатьох випадках Ге) принаймні приблизно відповідає дійсності, при цьому зазори в опорах і деяка пружність деталей дозволяють компенсувати невеликі відхилення у взаємному розташуванні деталей. Опори з одним поступальним ступенем свободи можуть бути виконані, наприклад, у вигляді комбінації типу сухар-паз або палець-втулка. Деталі, з'єднані між собою з використанням принципу спицевого центрування, не мають можливості провертання одно о відносно одної і залишаються співвісними при відносних змінах їх розмірів (об'єму, діаметра). При цьому можна «ЩЕ забезпечити й осьову фіксацію деталей одна відносно одної. Так, наприклад, у пристрої, описаному у вказаній вище заявці ОЕ 19628559 А1, з боку більш низького робочого тиску передбачений виконаний у вигляді буртика ее, або стовщення опорний елемент (9), до якого притискається щіткове ущільнювальне кільце (поз. 1 і 2) і який «І виконує також ущільнювальну функцію. Цей опорний елемент (9) ущільнює щіткове ущільнювальне кільце по 3о радіально зовнішньому краю його торця, до більшої частини якого в результаті прикладається тиск, що дорівнює в різниці між обома робочими тисками. При цьому поверхня торця щіткового ущільнювального кільця, до якої прикладається подібний тиск, проходить у радіальному напрямку від обертової ущільнювальної поверхні на внутрішній деталі (3) до опорного елемента (9). У такій конструкції щіткове ущільнювальне кільце і в « остаточному підсумку сам опорний елемент можуть за певних умов піддаватися впливу значного осьового З 50 зусилля, яке розраховується множенням різниці робочих тисків на площу вказаної поверхні, навантаженої с тиском, що дорівнює цій різниці робочих тисків. Подібним осьовим зусиллям у сполученні з циклічно

Із» повторюваними радіальними відносними переміщеннями щіткового ущільнювального кільця (поз. 1) і опорного елемента (9) обумовлені в результаті високе тертя в місці взаємного контакту цих деталей і їх інтенсивний знос (фретинг-корозія й інші прояви зносу). Звичайно при використанні внутрішніх повітряних ущільнень напрямні лопатки, які кріпляться до корпуса їх радіально зовнішніми кінцями, при контакті з гарячими газами, і нагріваючись, "подовжуються" радіально усередину, тобто в бік щіткового ущільнювального кільця, а при «» охолодженні знову "коротшають" радіально назовні. Подібний процес подовження-укорочування напрямних лопаток повторюється кожного разу при їх нагріванні й охолодженні. Крім високого тертя і зносу цей циклічно б повторюваний процес може також приводити до порушення "вільного" центрування однієї деталі відносно іншої, «їз» 20 у результаті чого за певних умов може відбутися деформація щіткового ущільнювального кільця і тим самим змінитися створюваний ним ущільнювальний ефект. сл Виходячи з вищевикладеного, в основу даного винаходу була покладена задача розробити такий пристрій для негерметичного ущільнення проміжку між напрямною решіткою, яка має форму вінця, і ротором турбомашини, виконаної принаймні на окремих ділянках осьового типу, який при використанні принципу 29 щіткового ущільнення зі спицевим центруванням мало б значно більш високі експлуатаційні характеристики, які

ГФ) забезпечуються за рахунок зменшення тертя і зносу, за рахунок центрування деталей одна відносно одної за юю відсутності реакцій зв'язку, а також за рахунок зменшення вторинних витоків на ділянці осьової опорної поверхні щіткового ущільнювального кільця. Ця задача вирішується за допомогою ознак відмітної частини цього пункту. У цьому пристрої функцію ущільнювального опорного елемента для щетини з боку більш низького 60 робочого тиску виконує розташоване радіально поблизу від обертової ущільнюваної поверхні опорне кільце, яке виконане за одне ціле з хвостовиками напрямних лопаток і відповідно до цього уже більш не є компонентом щіткового ущільнювального кільця. Виконання спицевого центрувального пристрою проникним для тиску дозволяє практично повністю виключити навантаження запропонованого у винаході пристрою тиском в осьовому напрямку і тим самим уникнути силового впливу на нього, оскільки тиск, що дорівнює різниці робочих тисків, бо прикладається лише до невеликої за площею кільцевої ділянки щетини, розташованої між ротором і опорним кільцем. Враховуючи, що очікуваний знос щетини поблизу опорного кільця є незначним і в принципі повинен бути менший в порівнянні з її зносом поблизу обертової ущільнюваної поверхні, ступінь зносу щетини саме поблизу обертової ущільнюваної поверхні, є критерієм, за яким визначають необхідність заміни щіткового ущільнювального кільця. При цьому виходять з того, що за винятком заміни цього щіткового ущільнювального кільця ні ротор, ні хвостовики напрямних лопаток, включаючи виконане за одне ціле з ними опорне кільце, не потребують відповідного планово-попереджувального ремонту. Залежно від того, чи виконані всі утворюючі один вінець напрямні лопатки у вигляді суцільної конструкції або вони об'єднані в окремі сегменти, відповідно виконані у вигляді окремих деталей, опорне кільце також є або суцільним, або сегментованим і тим самим має /о зазори в стиках між окремими його сегментами. Оскільки в процесі роботи окремі напрямні лопатки або їх сегменти, у які об'єднана невелика кількість лопаток, можуть незначно пружно деформуватися, піддаючись скручуванню навколо уявної радіальної осі, сегменти опорного кільця, які примикають до хвостовиків відповідних напрямних лопаток, також можуть трохи повертатися навколо цієї ж осі, утворюючи в результаті вже не оптимально рівну, а трохи східчасту опорну поверхню з уступами, розташованими на стиках між окремими /5 бегментами. Щетина завдяки її пружності дозволяє компенсувати подібну "нерівність" опорної поверхні без погіршення ущільнюваного ефекту. При цьому слід зазначити, що в пристроях відомих з рівня техніки конструкцій |див., зокрема, ОЕ 19628559 АТ) може відбуватися небажане просочування текучого середовища в порівняно великих кількостях Через зазори, які утворюються між опорними сегментами, які піддаються скручуванню, і твердим щіткотримачем (поява так званих вторинних витоків).

Кращі варіанти виконання запропонованого у винаході пристрою представлені в залежних пунктах формули.

Нижче винахід більш докладно розглянутий з посиланням на додані креслення, на яких у спрощеному вигляді і без дотримання масштабу показано: на Фіг.1 - фрагмент зображеної в поздовжньому розрізі газової турбіни в зоні її внутрішнього повітряного ущільнення, сч на Фіг.2 - фрагмент показаних на Фіг.1 ущільнювальних елементів у проекції на площину, перпендикулярну до поздовжньої осі газової турбіни, (8) на Фіг.З - зображене в поперечному перерізі щіткове ущільнювальне кільце з напрямним елементом, на Фіг4 - фрагмент показаного на Фіг.З щіткового ущільнювального кільця в проекції на площину, перпендикулярну до поздовжньої осі газової турбіни, ю зо на Фіг5 - зображене в поперечному перерізі щіткове ущільнювальне кільце з кільцем жорсткості і напрямними елементами, - на Фіг.б - фрагмент показаного на Фіг.5 щіткового ущільнювального кільця в проекції на площину, Ге перпендикулярну до поздовжньої осі газової турбіни, на Фіг.7 - зображене в поперечному перерізі щіткове ущільнювальне кільце, виконане у вигляді зварної « конструкції, з напрямними елементами, ї- на Фіг.8 - фрагмент показаного на Фіг.7 щіткового ущільнювального кільця в проекції на площину, перпендикулярну до поздовжньої осі газової турбіни, і на Фіг.9 - фрагмент показаних на Фіг.1 ущільнювальних елементів у зоні стику між хвостовиками напрямних лопаток у проекції на площину, перпендикулярну до поздовжньої осі газової турбіни. «

На Фіг.1 показаний запропонований у винаході пристрій 1, розташований на ділянці внутрішнього повітряного пт») с ущільнення газотурбінного двигуна (ГТД). На цьому кресленні показана, зокрема, напрямна лопатка 2, система

Й кріплення якої до статора, тобто до корпуса двигуна, на кресленні не показана, оскільки передбачається, що и?» така система кріплення має відоме виконання. Ліворуч і праворуч від напрямної лопатки 2, тобто по ходу потоку перед і за нею, розташовані робочі лопатки 8 і 9, які є компонентами ротора 6. До цього ротора відноситься дв також обертова разом з ним циліндрична ущільнювана поверхня 7. Хвостовик З напрямної лопатки 2 проходить -І радіально усередину, тобто зверху вниз у площині креслення, аж до власне ущільнювальної ділянки на роторі. У сукупності всі напрямні лопатки 2, включаючи їх хвостовики 3, утворюють концентричний відносно ротора вінець о орієнтованих в основному в радіальному напрямку напрямних лопаток. У невеликих газових турбінах напрямні

Ге» лопатки часто виконують у вигляді суцільної конструкції з нерознімно з'єднаних між собою лопаток, наприклад у вигляді литої, відповідно зварної конструкції а в більш великих машинах або двигунах декілька лопаток о звичайно об'єднують у єдиний сегмент, формуючи в цьому випадку лопатковий вінець з декількох таких сп сегментів. Зазори в стиках, які є між подібними сегментами лопаток, при необхідності закривають відповідними ущільнювальними елементами. В особливих випадках кожну напрямну лопатку можна виконувати у вигляді окремої деталі, що дозволяє спростити складання. 5Б Запропоноване в даному винаході рішення в принципі може використовуватися при усіх вищеописаних варіантах конструктивного виконання лопаткового вінця. Як нерухомий ущільнювальний елемент

Ф) запропонований у винаході пристрій має щіткове ущільнювальне кільце 10, яке кріпиться до хвостовиків З ка напрямних лопаток спицевого центрувального пристрою 4. Пристрій 1 відокремлює простір, у якому переважає більш високий робочий тиск р1, від простору, у якому переважає більш низький робочий тиск р2. З боку більш бо низького тиску з невеликим радіальним відступом А від ущільнюваної поверхні 7 розташований виконаний за одне ціле з хвостовиками З напрямних лопаток, за певних умов сегментоване опорне кільце 5 для щетини щіткового ущільнювального кільця 10. Оскільки спицевий центрувальний пристрій 4 виконаний проникним для тиску, більш високий робочий тиск р1 впливає і на правий торець щіткового ущільнювального кільця аж до місця прилягання його щетини до опорного кільця 5. При цьому тиском, що дорівнює різниці тисків р1 і р2, 65 навантажена лише винятково невелика за площею кільцева ділянка В щетини, що залишається на ділянці між ущільнюваною поверхнею 7 і опорним кільцем 5, у результаті чого на кінці щетини й опорне кільце 5 діє лише невелике результуюче осьове зусилля. Тим самим спицевий центрувальний пристрій 4 в осьовому напрямку не навантажений тиском, тобто працює практично без тертя і тому практично не підданий зносу.

На Фіг.2 у проекції на площину, перпендикулярну до поздовжньої осі турбіни, більш наочно показані ущільнювальні елементи, зображені лише частково. При цьому на кресленні показані обертова ущільнювана поверхня 7, нахилена під кутом А до неї відповідно до напрямку обертання ротора щетина 13, а також виконаний у вигляді сухаря напрямний елемент 22, який встановлений у наявному в хвостовику З напрямної лопатки пазу 16 з можливістю радіального переміщення в ньому. В іншому варіанті такий паз можна виконати в щітковому ущільнювальному кільці, а сухар - на хвостовику напрямної лопатки. 70 На Фіг.3 у збільшеному масштабі й у поперечному перерізі показаний фрагмент щіткового ущільнювального кільця 10 на ділянці напрямного елемента 22. У показаному на кресленні варіанті мова йде про виконання щіткового ущільнювального кільця з фрикційним замиканням, у якого його щетина 13 пропущена навколо осердя 19 і зафіксована на ньому С-подібним затискним кільцем 17. Відповідно до цього обидва кінці кожної щетинки прилягають на ущільнювальній ділянці до ротора. Напрямний елемент 22, який є частиною спицевого /5 Чентрувального пристрою із фрикційним замиканням і з можливістю регулювання за положенням зафіксований на затискному кільці 17 затискним гвинтом 26.

На Фіг.4 те ж, що і на попередньому кресленні, щіткове ущільнювальне кільце показане в проекції на площину, перпендикулярну до поздовжньої осі турбіни.

На Фіг.5 показане щіткове ущільнювальне кільце 11, щітковий елемент якого стабілізований рознімним

Кільцем 28 жорсткості. Подібну конструкцію найбільш доцільно використовувати для щіткових ущільнювальних кілець великого діаметра, у яких вузол, який складається з затискного кільця 18, осердя 20 і щетини 14, не має достатньої власної формостійкості (жорсткості). Кільце 28 жорсткості охоплює по зовнішньому периметру затискне кільце 18 і будучи з'єднане з ним з геометричним замиканням перешкоджає також його осьовому зміщенню в обох напрямках. З боку більш високого робочого тиску розташоване виконане за одне ціле з кільцем с

Дб Жорсткості закриваюче кільце 29, яке на порівняно велику відстань виступає радіально усередину і яке дозволяє захистити щетину 14 головним чином від впливу створюваних при обертанні ротора вихрових потоків. У і) розглянутому варіанті напрямні елементи 23 і 24 спицевого центрувального пристрою закріплені заклепкою 27, яка скріплює також між собою обидві частини кільця 28 жорсткості. При відповідному конструктивному виконанні напрямні елементи 23, 24 можна виконати такими, що повертаються навколо осі заклепки, що дозволяє ю зо підвищити рухливість спицевого центрувального пристрою і зробити більш легким його хід. У принципі існує також можливість виконати кільце жорсткості лише з такою осьовою довжиною, яка відповідає осьовій довжині - затискного кільця, а для осьової фіксації щіткового елемента використовувати напрямні елементи, відповідно Ге подовживши їх радіально усередину на потрібну величину. Цей варіант у більшому ступені відповідає полегшеній конструкції. Залежно від характеристик зональних (локальних) потоків існує можливість відмовитися « з5 В багатьох випадках від застосування закриваючого кільця. Так, зокрема, відповідно до ще одного варіанта з ча однієї сторони щіткового ущільнювального кільця можна як осьовий упор для щіткового елемента передбачити уступ на кільці жорсткості, а з іншої сторони для виконання цієї ж функції подовжити радіально усередину напрямні елементи на відповідну величину.

На Фіг.б той же, що і на Фіг.5, пристрій показаний у проекції на площину, перпендикулярну до його « поздовжньої осі. з с На Фіг.7 показане щіткове ущільнювальне кільце 12, щетина 15 якого закріплена не або принаймні не тільки

Й З фрикційним замиканням, а вбудована в кільце-тримач будучи нерознімно з'єднана з ним присадним и?» матеріалом з утворенням зварного шва 30. Аналогічне нерознімне з'єднання можна також одержати паянням або склеюванням, однак у цьому випадку таке з'єднання за певних умов буде мати знижену термостійкість. У розглянутому варіанті розташовані з обох сторін щетини напрямні елементи 25 утворені на самому -І кільці-тримачі 21 за рахунок видалення частини його матеріалу, наприклад фрезеруванням або електрохімічною обробкою. ве На Фіг.8 той же, що і на попередньому кресленні, пристрій також показаний у проекції на площину,

Ге» перпендикулярну до поздовжньої осі турбіни.

На Фіг.9 показаний варіант, у якому між хвостовиками напрямних лопаток є стики, тобто варіант з о об'єднаними в сегменти або виконаними у вигляді окремих деталей напрямними лопатками. На цьому кресленні сп показані, зокрема, хвостовики З двох сусідніх напрямних лопаток з наявним у стику між ними зазором 31, який продовжується й в опорному кільці 5, локально перериваючи його суцільність. При цьому щетина 13 нахилена під кутом о до обертової ущільнюваної поверхні 7, а точніше до локальної дотичної, проведеної до цієї поверхні. Для уникнення застрявання або защемлення щетини 13 в утвореному в стику між хвостовиками лопаток зазорі 31 при її переміщенні відносно нього цей зазор, який в іншому орієнтований у радіальному іФ) напрямку, на ділянці, на якій розташована щетина, проходить похило під кутом р, величину якого переважно ко підбирати з таким розрахунком, щоб вказаний зазор під прямим кутом перехрещувався з відхиленою під кутом о, щетиною. Якщо дотримання подібної умови пов'язано з виникненням певних проблем, пов'язаних з установкою 60 напрямних лопаток при виконанні складальних операцій, то наявний між їхніми хвостовиками стик на ділянці розташування щетини можна також відхилити на менший кут відносно його орієнтованої в радіальному напрямку ділянки, відповідно виконати таким, що повністю проходить у радіальному напрямку.

На закінчення необхідно відзначити, що щетина може розташовуватися в щітковому ущільнювальному кільці не тільки переважно в радіальному напрямку, але й в осьовому напрямку і мати в цьому випадку загнуті в 65 радіальному напрямку вільні кінці (утворюючи щіткове ущільнення із зігнутою щетиною).

Claims (5)

Формула винаходу не . . . .

1. Пристрій для негерметичного ущільнення проміжку між статором і ротором турбомашини, насамперед газової турбіни, у зоні хвостовиків аксіально обтічних напрямних лопаток, що належить до статора, які утворюють напрямну решітку, яка має форму вінця, і розташовану концентрично відносно ротора, що має закріплене на напрямній решітці за допомогою спицевого центрувального пристрою щіткове ущільнювальне 70 кільце, щетина якого у взаємодії з обертовою циліндричною ущільнювальною поверхнею утворює бар'єр, який має певну проникність для текучого середовища, який відрізняється тим, що із сторони ущільнення, з якої переважає більш низький робочий тиск (р2), з невеликим радіальним відступом (А) від обертової ущільнювальної поверхні (7) розташоване опорне кільце (5), яке утворює осьову ущільнювальну опору для щетини (13, 14, 15) і виконане як одне ціле з хвостовиками (3) напрямних лопаток і може бути виконане сегментованим таким чином, щоб в стиках між окремими сегментами утворювались зазори (31), які можуть бути й у напрямних лопатках (2), відповідно до сегментів напрямних лопаток у стиках між ними, а спицевий центрувальний пристрій (4) виконаний проникним для тиску, з можливістю прикладання більш високого тиску (р1) до щіткового ущільнювального кільця (10, 11, 12) з обох його торців, таким чином, що кільце не навантажене тиском в осьовому напрямку, за винятком ділянки (В) щетини, що проходить в радіальному напрямку від ущільнювальної поверхні (7) до оо опорного кільця (5).

2. Пристрій за п. 1, який відрізняється тим, що щетина щіткового ущільнювального кільця (10, 11, 12) із фрикційним замиканням зафіксована між С-подібним затискним кільцем (17, 18) і осердям (19, 20) з охопленням останнього або з використанням присадного матеріалу зафіксованим у кільці-тримачі (21) зварюванням (30), паянням або склеюванням, при цьому вільно виступна пружна ділянка щетини нахилена до обертової сч ущільнювальної поверхні (7) під залежним від напрямку обертання ротора кутом ( 2 ) з орієнтованими в радіальному і тангенціальному напрямках сторонами. о

З. Пристрій за п. 1 або 2, який відрізняється тим, що з щітковим ущільнювальним кільцем (10, 11) із фрикційним замиканням, наприклад затискними гвинтами (26), з використанням присадного матеріалу і/або з геометричним замиканням, наприклад заклепками (27), з'єднані виконані у вигляді сухарів напрямні елементи І в) (22-25) або на щітковому ущільнювальному кільці (12) шляхом його обробки, яка полягає у видаленні матеріалу, « наприклад, шляхом фрезування, сформовані, утворюючі тим самим з ним суцільну деталь, виконані у вигляді сухарів напрямні елементи (22-25), які в обох випадках рухомо встановлені в наявних у хвостовиках (3) (Се) напрямних лопаток радіальних пазів (16). «

4. Пристрій за п. 2 або 3, який відрізняється тим, що щіткове ущільнювальне кільце, що має С-подібне затискне кільце (18), навколо якого розташоване суцільно або складається з декількох частин кільце (28) - жорсткості, яке охоплює його по зовнішньому периметру й утримує його, яке із протилежної відносно опорного кільця (5) сторони ущільнення може мати виконане як одне ціле з ним і виступаюче радіально усередину аж до вільновиступної ділянки щетини (14) закриваюче кільце (29), при цьому осьова фіксація затискного кільця (18) « з геометричним замиканням забезпечена кільцем (28) жорсткості і/або виконаними у вигляді сухарів напрямними елементами спицевого центрувального пристрою. -

с

5. Пристрій за будь-яким з пп. 1-4, який відрізняється тим, що із сегментованим опорним кільцем для щетини и щіткового ущільнювального кільця, що має зазори (31), в стиках між окремими його сегментами, які є в стиках ,» між сегментами опорного кільця, проходять похило до обертової ущільнювальної поверхні (7) під кутом ( 8 одна сторона якого орієнтована в радіальному напрямку, а інша його сторона орієнтована в тангенціально 35 протилежному відносно нахилу щетини (13), яка знаходиться в зоні відповідного стику, напрямку таким чином, - що, якщо дивитися в осьовому напрямку, щетина (13) і зазори (31), які є в стиках між сегментами опорного г» кільця, взаємно перехрещуються переважно під прямим кутом. (22) їз 50 сл Ф) іме) 60 б5