Газотурбинная установка с аэродинамическим лабиринтовинтовым уплотнением

 

Газотурбинная установка с аэродинамическим лабиринто-винтовым уплотнением относится к области энергетики, химическому машиностроению, металлургии, авиационной технике, газовой промышленности и насосостроению. Газотурбинная установка содержит компрессор, турбину и аэродинамические лабиринто-винтовые уплотнения, имеющие винтовые каналы противоположного направления, выполненные на установленных с радиальным зазором поверхностях в корпусах компрессора и турбины и на валу. Уплотнения выполнены активного типа, их винтовые каналы расположены на внутренних поверхностях статорных колец и на наружных поверхностях роторных колец. В изобретении оговариваются геометрические параметры, формы и размеры резьб. Изобретение позволяет повысить мощность и производительность установки. 10 з.п. ф-лы, 12 ил.

Изобретение относится к энергетике, химическому машиностроению, металлургии, авиационной промышленности и др., а в частности к турбостроению, газовой промышленности и насосостроению.

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.

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.).

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Формула изобретения

1. Газотурбинная установка с аэродинамическим лабиринто-винтовым уплотнителем, 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 турбины и на валу, отличающаяся тем, что установка 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 на валу, оба уплотнения выполнены активного типа, их винтовые каналы расположены на внутренних поверхностях статорных колец и наружных поверхностях роторных колец, закрепленных соответственно в корпусах компрессора и турбины и на валу, число зубьев резьб роторных колец равно 6 - 250, статорных колец 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.

2. Установка по п.1, отличающаяся тем, что уплотнения выполнены с трапецеидальной, многозаходной резьбой.

3. Установка по п.1, отличающаяся тем, что уплотнения выполнены с ленточной резьбой.

4. Установка по п.1, отличающаяся тем, что уплотнения выполнены с дугообразной резьбой.

5. Установка по п.1, отличающаяся тем, что уплотнения выполнены с резьбой по форме лопаток компрессора.

6. Установка по п.1, отличающаяся тем, что уплотнения выполнены с резьбой по форме лопаток турбины.

7. Установка по п.1, отличающаяся тем, что посадочная поверхность статорных колец снабжена выступами в виде штырей прямоугольной или цилиндрической формы с трапецеидальным или конусным скосом в конце.

8. Установка по п.7, отличающаяся тем, что выступы или штыри выполнены с шириной или диаметром не более 30 мм и высотой не более 20 мм.

9. Установка по пп.7 и 8, отличающаяся тем, что статорные кольца выполнены с радиальными штырями, 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.

10. Установка по п.1, отличающаяся тем, что ширина статорных колец равна 10 - 250 мм в зависимости от диаметра вала.

11. Установка по п.1, отличающаяся тем, что она снабжена дополнительным лабиринто-винтовым уплотнением, расположенным со стороны всаса турбины в случае установки ее отдельным модулем.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10, Рисунок 11, Рисунок 12