Уплотнительный сегмент для уплотнительного кольца и узел уплотнительного кольца

Изобретение относится к выдвижным уплотнительным элементам для вращающихся машин. Уплотнительный сегмент для уплотнительного кольца, предназначенного для использования на пути прохождения горячего газа в турбомашине, содержит уплотнительную поверхность, на которой закреплено множество расположенных на некотором расстоянии друг от друга в аксиальном направлении уплотнительных зубцов, суженную центральную часть, расположенную радиально снаружи от уплотнительной поверхности, и установочную часть, расположенную радиально снаружи от центральной части. По меньшей мере, одно отверстие для подачи пара проходит под углом от поверхности сегмента, которая является самой наружной в радиальном направлении, до места вдоль боковой стороны центральной части так, что в процессе использования, по меньшей мере, часть отверстия для подачи открыта для горячего газа на пути прохождения газа так, что газ может проходить через отверстие для подачи в полость за сегментом. Изобретение позволяет повысить технологичность устройства. 2 н. и 4 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

Настоящее изобретение относится к выдвижным уплотнительным элементам для вращающихся машин, таких как паровые и газовые турбины.

Вращающиеся машины, такие как паровые и газовые турбины, используемые для выработки электроэнергии и для механического привода, как правило, представляют собой большие машины, состоящие из множества ступеней турбины. В таких машинах текучая среда, находящаяся под высоким давлением и проходящая через ступени турбины, должна проходить через ряд неподвижных и вращающихся элементов. Кольцевые уплотнения, состоящие из сегментов и установленные на неподвижных элементах, используются для борьбы с утечками текучей среды вдоль траектории между неподвижными и вращающимися элементами. КПД турбины напрямую зависит от способности уплотнений, выполненных в виде сегментов (называемых также уплотнительными сегментами), предотвратить утечку, например, между ротором и статором. В некоторых конструкциях пружины удерживают уплотнительные сегменты радиально снаружи по отношению к ротору, например, во время пуска и останова. После того, как скорость ротора достигнет заданной величины, текучую среду под давлением подают между уплотнительными сегментами и полостью в корпусе ротора за сегментами, чтобы сместить сегменты радиально внутрь для достижения меньших зазоров между ними и ротором.

Варианты выполнения сегментов уплотнительного кольца показаны, например, в патентах США №№6045134, 6168162, 6105967 и 5503405.

В показанном в виде примера варианте осуществления кольцевые сегменты уплотнительного кольца, или уплотнительные сегменты, прикреплены с помощью конструкций типа «ласточкин хвост» к неподвижным сопловым направляющим дискам, расположенным в аксиальном направлении между соседними рядами лопастей на рабочих колесах, которые вращаются вместе с ротором турбины. Во время пуска и выключения агрегата одна или более пружин сжатия, расположенных между выдвижными уплотнительными сегментами и неподвижным направляющим диском, создают усилия, действующие на сегменты, которые приводят к увеличению радиального зазора между уплотнительными сегментами и ротором. В том случае, когда будет иметь место достаточный перепад давлений между пуском и остановом, сила давления будет превышать силы сопротивления пружины (пружин), в результате чего радиальный зазор будет уменьшаться. Возможность создания этой силы давления обусловлена введением пара через отверстия для подачи пара в уплотнительных сегментах. Эти отверстия, как правило, просверлены в уплотнительных сегментах и открыты на сторонах высокого давления сегментов, чтобы обеспечить возможность нарастания давления пара в полостях за сегментами. Обычно эти отверстия для подачи сверлят в осевом направлении на стороне потока пара и в радиальном направлении на задней стороне каждого уплотнительного сегмента, при этом они пересекаются внутри сегмента, тем самым образуя проходящее под углом 90°, L-образное сквозное отверстие. Однако такая конструкция требует выполнения множества операций в процессе изготовления, и резкий поворот в проходном отверстии становится местом, где возникает эрозия, вызванная твердыми частицами, и/или где скапливаются твердые частицы. Последнее обстоятельство со временем приведет к ухудшению рабочих характеристик турбины.

Данное изобретение относится к новой конструкции отверстий для подачи пара в уплотнительных сегментах, выдвигаемых под действием повышенного давления. В этой конструкции имеется одно или более отверстий (сколько требуется) в каждом канале уплотнительного сегмента, имеющих ось, расположенную под углом относительно тела уплотнения. За счет сверления одного наклонного сквозного отверстия для подачи пара устраняется необходимость в многооперационном технологическом процессе, который требуется для получения L-образного отверстия, уменьшается время изготовления, а также накапливание твердых частиц. Эта новая конструкция отверстий для подачи даже приводит к получению более прочного уплотнительного сегмента по сравнению с обычными конструкциями отверстий для подачи пара.

Соответственно, согласно одному аспекту изобретение относится к уплотнительному сегменту для уплотнительного кольца, предназначенного для использования на пути прохождения горячего газа в турбомашине, при этом сегмент содержит уплотнительную поверхность, на которой закреплено множество расположенных на некотором расстоянии друг от друга в аксиальном направлении, уплотнительных зубцов, центральную часть, расположенную радиально снаружи от уплотнительной поверхности, и установочную часть, расположенную радиально снаружи от центральной части, при этом установочная часть имеет самую наружную в радиальном направлении поверхность, и, по меньшей мере, одно отверстие для подачи пара, проходящее под углом от места входа на поверхности, которая является самой наружной в радиальном направлении, до места выхода вдоль боковой стороны центральной части так, что в процессе использования, по меньшей мере, часть отверстия для подачи открыта для газа на пути прохождения газа так, что газ может проходить через отверстие для подачи в зону полости за сегментом.

В соответствии с другим аспектом изобретение относится к узлу уплотнительного кольца для соплового направляющего диска турбины, содержащему множество частично кольцевых уплотнительных сегментов, приспособленных для установки в канавке тип «ласточкин хвост» в направляющем диске, с полостью, находящейся в радиальном направлении между задней поверхностью сегмента и направляющим диском, при этом каждый сегмент содержит уплотнительную поверхность, на которой закреплено множество расположенных на некотором расстоянии друг от друга в аксиальном направлении, уплотнительных зубцов, центральную часть, расположенную радиально снаружи от уплотнительной поверхности, и установочную часть, расположенную радиально снаружи от центральной части, при этом установочная часть имеет самую наружную в радиальном направлении, заднюю поверхность, и, по меньшей мере, одно отверстие для подачи пара, проходящее под углом от места выхода на поверхности, которая является самой наружной в радиальном направлении, до места входа вдоль боковой стороны центральной части, так что в процессе использования, по меньшей мере, часть отверстия для подачи открыта для газа, находящегося на пути прохождения горячего газа, так, что газ может проходить через отверстие для подачи в полость за сегментом, чтобы тем самым обеспечить смещение уплотнительного сегмента в направлении радиально внутрь.

При этом, предпочтительно, отверстие для подачи пара проходит под острым углом относительно радиальной осевой линии через сегмент, и установочная часть имеет пару выступающих в боковом направлении элементов, приспособленных для установки в радиальном направлении за парой крюкообразных элементов типа «ласточкин хвост» в сопловом направляющем диске.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Фиг.1 представляет собой схематичное изображение обычного сегмента уплотнительного кольца, который имеет отверстие для подачи пара известной конструкции; и

фиг.2 представляет собой схематичное изображение, аналогичное фиг.1, но с новой конструкцией отверстия для подачи пара в соответствии с изобретением.

Сначала будет описана фиг.1, на которой показана часть вращающейся машины, например, такой как паровая турбина или газовая турбина. Машина имеет вал или ротор 10, расположенный в направляющем диске 12 турбины, при этом ротор 10 опирается на подшипники известным образом внутри корпуса турбины. Уплотнительное кольцо 14 расположено в неподвижном направляющем диске корпуса турбины, при этом оно находится в аксиальном направлении между соседними рабочими колесами (непоказанными) турбины и разделяет зоны высокого и низкого давления, находящиеся с противоположных в аксиальном направлении сторон кольца. Как показано на фиг.1, зона высокого давления находится справа, а зона низкого давления находится слева, при этом направление потока газа или пара на пути прохождения горячего газа показано стрелкой 16. Уплотнительное кольцо 14 образовано множеством дугообразных сегментов 18 уплотнительного кольца или уплотнительных сегментов 18, имеющих уплотнительные поверхности 20 и множество выступающих в радиальном направлении, расположенных на некотором расстоянии друг от друга в аксиальном направлении зубцов лабиринтного уплотнения, обозначенных ссылочным номером 22 и показанных пунктирными линиями. Как правило, уплотнительный сегмент данного типа функционирует за счет того, что он создает относительно большое количество барьеров, например зубцов, для потока текучей среды из зоны высокого давления в зону низкого давления, при этом каждый барьер или зубец заставляет текучую среду проходить по извилистой траектории, в результате чего создается перепад давлений. Сумма падений давления на уплотнении по определению представляет собой перепад давлений между зонами высокого и низкого давления, находящимися с противоположных в аксиальном направлении сторон уплотнительного кольца.

Как правило, уплотнительные сегменты 18 имеют суженную центральную часть 24 между расположенной внутри в радиальном направлении, уплотнительной частью 26 и расположенной снаружи в радиальном направлении установочной частью 27, которая имеет выступы 28 типа «ласточкин хвост». Полость 30 частично ограничена обращенными внутрь крюкообразными элементами 32, которые расположены в пределах суженной части 24 и ограничивают смещение сегмента внутрь за счет взаимодействия с выступами 28, тем самым обеспечивая крепление сегмента 18 к направляющему диску 12, но обеспечивая возможность смещения сегмента внутрь и наружу в радиальном направлении, описанного выше.

Как правило, пружины 34 используются для удерживания сегментов 18 радиально снаружи, на некотором расстоянии от ротора, например, во время пуска и останова. Однако, когда скорость ротора достигнет рабочей скорости, сила давления текучей среды, поданной между сегментами уплотнительного кольца и полостью 30 в корпусе ротора за сегментами, будет превышать жесткость пружин, что вызывает смещение уплотнительных сегментов 18 радиально внутрь для достижения меньшего зазора между ними и ротором 10.

Обычная конструкция требует, чтобы в каждом сегменте были просверлены два отверстия для подачи. Более точно, радиальное отверстие 36 сверлят с радиально наружной или задней стороны 38 уплотнительного сегмента радиально внутрь до места, где оно пересекается с просверленным в аксиальном направлении отверстием 40, которое открывается вдоль боковой стороны сегмента, то есть открыто для потока пара высокого давления справа налево. Два отверстия 36 и 40 пересекаются под углом 90° внутри сегмента, тем самым образуя L-образное сквозное отверстие.

На фиг.2 показан уплотнительный сегмент 118, имеющий новую конструкцию отверстия для подачи пара в соответствии с данным изобретением. Для удобства аналогичные ссылочные номера используются для обозначения соответствующих элементов, но с добавлением впереди цифры «1». В данном случае уплотнительный кольцевой сегмент 118 для уплотнительного кольца 114, предназначенного для использования на пути прохождения горячего газа в турбомашине, содержит уплотнительную поверхность 120, на которой закреплено множество расположенных на некотором расстоянии друг от друга в аксиальном направлении уплотнительных зубцов 122, центральную часть 124, расположенную радиально снаружи от уплотнительной поверхности 120, и установочную часть 127, расположенную радиально снаружи от центральной части, при этом установочная часть 127 имеет самую наружную в радиальном направлении поверхность 138; и, по меньшей мере, одно отверстие 142 для подачи пара, проходящее под углом от места входа на поверхности 138, которая является самой наружной в радиальном направлении, до места выхода вдоль боковой стороны центральной части 124, так что в процессе использования, по меньшей мере, часть отверстия 142 для подачи открыта для газа на пути прохождения газа так, что газ может проходить через отверстие для подачи в зону 130 полости за сегментом 118. Одно отверстие 142 просверлено с задней стороны сегмента насквозь до стороны сегмента 118, с которой находится пар высокого давления, под заданным углом с одного установа. Отверстие 142 просверлено под углом, согласующимся с требуемыми прочностными характеристиками сегмента, при этом диаметр отверстия задают в зависимости от требований, определяемых объемом пара. Как показано, отверстие 142 проходит через суженную часть 124, гарантируя то, что выход отверстия будет открыт для потока пара высокого давления. Угол наклона оси отверстия, размер отверстия и количество отверстий будут в каждом случае определяться специальными требованиями для каждого заказа. Способ обработки отверстия включает в себя одну технологическую операцию сверления, но может включать в себя отдельную операцию развертывания, если это будет необходимо.

За счет сверления одного наклонного сквозного отверстия 142 для подачи пара устраняется необходимость в известном и менее эффективном многооперационном технологическом процессе, необходимом для получения L-образного отверстия.

Несмотря на то, что изобретение было описано в связи в тем, что в настоящее время считается наиболее осуществимым с практической точки зрения и предпочтительным вариантом осуществления, следует понимать, что изобретение не следует ограничивать раскрытым вариантом осуществления, но, напротив, предусмотрено, что оно охватывает различные модификации и эквивалентные конструкции, находящиеся в рамках идеи и объема формулы изобретения.

1. Уплотнительный сегмент для уплотнительного кольца, предназначенного для использования на пути прохождения горячего газа в турбомашине, при этом уплотнительный сегмент содержит уплотнительную поверхность, на которой закреплено множество расположенных на некотором расстоянии друг от друга в аксиальном направлении уплотнительных зубцов, центральную часть, расположенную радиально снаружи от уплотнительной поверхности, и установочную часть, расположенную радиально снаружи от центральной части, при этом установочная часть имеет самую наружную в радиальном направлении поверхность, и, по меньшей мере, одно отверстие для подачи пара, проходящее под углом от места входа на поверхности, которая является самой наружной в радиальном направлении, до места выхода вдоль боковой стороны центральной части так, что в процессе использования, по меньшей мере, часть отверстия для подачи открыта для газа на пути прохождения газа так, что газ может проходить через отверстие для подачи в зону полости за сегментом.

2. Сегмент по п.1, в котором отверстие для подачи пара проходит под острым углом относительно радиальной осевой линии через сегмент.

3. Сегмент по п.1, в котором установочная часть имеет пару выступающих в боковом направлении элементов, приспособленных для установки в радиальном направлении за парой крюкообразных элементов типа "ласточкин хвост" в сопловом направляющем диске.

4. Узел уплотнительного кольца для соплового направляющего диска турбины, содержащий множество частично кольцевых уплотнительных сегментов, приспособленных для установки в канавке типа "ласточкин хвост" в направляющем диске, с полостью, находящейся в радиальном направлении между задней поверхностью сегмента и направляющим диском, при этом каждый сегмент содержит уплотнительную поверхность, на которой закреплено множество расположенных на некотором расстоянии друг от друга в аксиальном направлении уплотнительных зубцов, центральную часть, расположенную радиально снаружи от указанной уплотнительной поверхности, и установочную часть, расположенную радиально снаружи от центральной части, при этом установочная часть имеет самую наружную в радиальном направлении поверхность, и, по меньшей мере, одно отверстие для подачи пара, проходящее под углом от места выхода на поверхности, которая является самой наружной в радиальном направлении, до места входа вдоль боковой стороны центральной части так, что в процессе использования, по меньшей мере, часть отверстия для подачи открыта для газа, находящегося на пути прохождения горячего газа, так, что газ может проходить через отверстие для подачи в полость за уплотнительным сегментом, чтобы тем самым обеспечить смещение уплотнительного сегмента в направлении радиально внутрь.

5. Узел по п.4, в котором отверстие для подачи пара проходит под острым углом относительно радиальной осевой линии через сегмент.

6. Узел по п.4, в котором установочная часть имеет пару выступающих в боковом направлении элементов, приспособленных для установки в радиальном направлении за парой крюкообразных элементов типа "ласточкин хвост" в сопловом направляющем диске.