Узел многостержневого щеточного уплотнения для роторных установок (варианты)

Изобретение относится к узлам щеточных уплотнений для роторных установок. Узел щеточного уплотнения включает удлиненный держатель стержня щетки, по меньшей мере, три удлиненных блока стержня щетки, плотно соединенные вместе в шахматном порядке в держателе стержня щетки, образуя единый узел. Каждый упомянутый узел стержня щетки содержит держатель щетины и множество щетинок, соединенных с упомянутым держателем щетины. Изобретение повышает надежность уплотнения. 2 н. и 7 з.п. ф-лы, 7 ил.

 

Предшествующий уровень техники

Настоящее изобретение в основном относится к уплотнениям, а более конкретно к узлу щеточного уплотнения для роторных установок.

Роторные установки включают без ограничений турбины для паровых турбин и компрессоров и турбины для газовых турбин и генераторов. Паровая турбина имеет тракт для пара, который обычно включает последовательно расположенные входной канал для пара, турбину и выходной канал для пара. Газовая турбина имеет тракт для газа, который обычно включает последовательно расположенные воздухозаборник (или входной канал), компрессор, камеру сгорания, турбину и выходной канал для газа (или выхлопное сопло). Утечки газа или пара из тракта для газа или пара или в тракт для газа или пара из области высокого давления в область низкого давления, в основном, не желательны. Например, утечка газового тракта в область турбины или компрессора газовой турбины между ротором турбины или компрессора и охватывающим по периферии турбину или компрессор корпусом снижает эффективность газовой турбины, приводя к увеличению расходов на топливо. Также утечка тракта для пара в область паровой турбины снижает эффективность паровой турбины, приводя к увеличению расходов на топливо.

Между ротором и охватывающим корпусом в газовых и паровых турбинах использовались круговые щеточные уплотнения. Щеточные уплотнения газовой и паровой турбины выполнены из сегментов щеточного уплотнения, установленных по периферии. Каждый сегмент щеточного уплотнения включает гибкую щетину из металлической проволоки, прикрепленную (например, приваренную) к держателю металлической щетины, который имеет форму кругового сегмента круглого кольца. Держатель щетины имеет жесткий радиус и жесткую длину по периферии, соответствующие радиусу и длине по периферии канавки на поверхности кругового сегмента корпуса, в который вводится держатель щетины с прикрепленной щетиной. Держатель щетины может включать опорную плиту, расположенную между щетиной и стороной низкого давления уплотнения при свободных концах щетины, выступающих по радиусу внутрь за внутренний по радиусу конец опорной плиты.

Металлические щеточные уплотнения являются дорогостоящими и могут вызывать перегрев, который препятствует их использованию при применении уплотнения для нефти. Для некоторых применений могут быть использованы неметаллические щеточные уплотнения, использующие нити из микроволокон. Однако из-за очень малого диаметра волокон и очень малой ширины щеточного уплотнения (около 0,05 дюйма) эти уплотнения могут использоваться лишь применительно к низкому давлению.

Известен узел щеточного уплотнения, содержащий удлиненный держатель стержня щетки, по меньшей мере, три удлиненных блока стержня щетки, соединенных вместе в держателе стержней щетки, образуя единый узел, причем каждый блок стержня щетки содержит множество соединенных щетинок (см. Патент США №6131911). Однако этот известный узел не позволяет полностью устранить указанные выше недостатки. Следовательно, существует потребность в создании более эффективного щеточного уплотнения для роторных установок.

Сущность изобретения

Согласно одному аспекту создан узел щеточного уплотнения, который включает удлиненный держатель стержня щетки, по меньшей мере, три удлиненных блока стержней щетки, соединенных плотно вместе в удлиненном держателе стержня щетки, образуя единый узел.

Также создана роторная установка, которая содержит ротор, имеющий продольную ось, и несколько сегментов корпуса статора, установленных вместе по периферии для образования корпуса статора, который в основном выровнен по оси с продольной осью и который по периферийной окружности охватывает ротор и отделен от него зазором. Роторная машина также включает, по меньшей мере, один узел щеточного уплотнения, включающий удлиненный держатель стержня щетки, по меньшей мере, три удлиненных блока стержня щетки, соединенных плотно вместе в удлиненном держателе стержня щетки, образуя отдельный узел, причем множество блоков стержня щетки плотно соединено в шахматном порядке в держателе стержней щетки. Каждый блок стержня щетки включает держатель щетины и щетину, соединенную с держателем щетины. Множество щетинок предпочтительно содержит, по меньшей мере, одно волокно из текстильных нитяных волокон, пластиковых волокон, керамических волокон, нитей углеродных волокон и тканого полотна. При этом узел щеточного уплотнения имеет ширину от около 0,05 дюйма до около 1,0 дюйма, предпочтительно от около 0,05 дюйма до около 0,8 дюйма и более предпочтительно от около 0,05 дюйма до около 0,1 дюйма.

Согласно другому аспекту создан узел щеточного уплотнения, содержащий удлиненный держатель стержня щетки, по меньшей мере, три удлиненных блока стержня щетки, плотно соединенные вместе в шахматном порядке в держателе стержней щетки, причем каждый блок стержня щетки содержит держатель щетины и множество щетинок, соединенных с упомянутым держателем щетины. Причем блок стержня щетки, размещенный на первой боковой стороне держателя стержня щетки, и блок стержня щетки, размещенный на второй боковой стороне держателя стержня щетки, содержат множество щетинок, которые обладают жесткостью, большей, чем у множества щетинок каждого блока стержня щетки, размещенного между блоками стержня щетки, размещенными на первой и второй боковой сторонах держателя стержня щетки. В этом варианте блок стержня щетки, размещенный на первой боковой стороне держателя стержня щетки, и блок, размещенный на второй боковой стороне держателя, содержат множество щетинок, имеющих больший диаметр, чем множество щетинок каждого блока стержня щетки, размещенного между блоками стержня щетки, размещенными на первой и второй боковой стороне держателя стержня щеток. При этом каждый блок стержня щетки содержит множество щетинок, которые образованы из материала, который отличается от материала множества щетинок непосредственно примыкающего блока стержня щетки.

Краткое описание чертежей

Фиг.1 - схематический вид в сечении роторной установки и узла щеточного уплотнения в соответствии с вариантом выполнения настоящего изобретения,

фиг.2 - схематический вид в сечении по линии А-А роторной установки и узла щеточного уплотнения, показанных на фиг.1,

фиг.3 - сечение в увеличенном масштабе узла щеточного уплотнения, показанного на фиг.1,

фиг.4 - боковой вид блока стержня щетки, показанного на фиг.3,

фиг.5 - торцевой перспективный вид блока стержня щетки, показанного на фиг.3,

фиг.6 - сечение в увеличенном масштабе узла щеточного уплотнения в соответствии с вариантом выполнения настоящего изобретения,

фиг.7 - сечение в увеличенном масштабе узла щеточного уплотнения в соответствии с вариантом выполнения настоящего изобретения.

Подробное описание изобретения

Далее подробно описана роторная установка, которая содержит узел щеточного уплотнения в соответствии с вариантом выполнения настоящего изобретения. Узел щеточного уплотнения образован из множества блоков стержня щетки для достижения толщины, равной широкой упаковке, щеточного уплотнения, использующего микроволокна. Узел щеточного уплотнения обеспечивает низкую утечку микроволоконного щеточного уплотнения и относительно высокую допустимую нагрузку по давлению. Большая ширина упаковки образует уплотнения с низкими уровнями утечек, что позволяет использовать узел щеточного уплотнения при уплотнении ядовитых веществ. Кроме того, узел щеточного уплотнения при работе не образует искр и не является проводником, позволяя использовать его для уплотнения взрывчатых газов, например уплотнения водорода в промышленных генераторах.

Как видно из чертежей, фиг.1 является схематическим видом роторной установки 10 и узла 12 щеточного уплотнения в соответствии с примером выполнения настоящего изобретения, и фиг.2 является схематическим сечением по линии А-А роторной установки 10. Роторная установка включает, но не ограничивается этим, электрогенератор, или турбину высокого, среднего или низкого давления паровой турбины, или часть компрессора или турбины газовой турбины. Роторная установка 10 включает ротор 14, сегменты 16 и 18 корпуса статора и узлы 12 щеточного уплотнения. В другом варианте выполнения роторная установка 10 включает один узел щеточного уплотнения. Ротор 14 имеет продольную ось 20. Сегменты 16 и 18 корпуса статора, как показано на фиг.1, установлены вместе по периферийной окружности для образования корпуса 22 статора, который в основном выровнен коаксиально с продольной осью 20 и который по периферии охватывает ротор 14 и отделен от него радиальным зазором. Каждый сегмент 16 и 18 корпуса статора имеет на поверхности канавку 24, которые вместе образуют периферийный канал, который в основном выровнен коаксиально с продольной осью 20 и который открыт ротору 14. В одном варианте выполнения корпус 22 статора образован из одного сегмента 16 корпуса статора, и в другом варианте выполнения корпус 22 статора образован из более чем двух сегментов 16 корпуса статора. В примере варианта выполнения распорка 26 закрепляет узлы 12 щеточного уплотнения в канавке 24 в поверхности сегментов 16 и 18 корпуса статора. В варианте выполнения корпус 22 статора не содержит канавки в поверхности, и узел 12 щеточного уплотнения соединен с корпусом 22 статора другим подходящим способом, например с помощью креплений, адгезивов, зажимов и их комбинации.

Как видно из фиг.3, узел 12 щеточного уплотнения содержит держатель 28 стержня щетки и множество блоков 30 стержня щетки. Держатель 28 стержня щетки имеет первую боковую сторону 32 и вторую боковую сторону 34. Блоки 30 стержня щетки соединены вместе в держателе 28 в плотную конструкцию, которая проходит от первой боковой стороны 32 до второй боковой стороны 34 держателя 28 стержней щетки. Каждый блок 30 стержня щетки включает множество щетинок 36, выступающих из части 38 основания. В примере выполнения изобретения блоки стержня щетки установлены в шахматном порядке или со смещением, когда часть 38 основания блока 30 стержня щетки, размещенная непосредственно примыкая к первой боковой стороне 32 держателя 28, смещена относительно части 38 основания непосредственно примыкающего блока 30 стержня щетки, который в свою очередь смещен относительно следующего непосредственно примыкающего блока 30 стержня щетки, и так далее по всей ширине держателя 28, как показано на фиг.3. В варианте выполнения блоки 30 стержня щетки установлены так, что части 38 основания не смещены друг относительно друга. В другом варианте выполнения блоки 30 стержня щетки установлены группами, причем части 38 основания блоков 30 в группе установлены без смещения, и части 38 основания группы блоков 30 стержня щетки смещены относительно частей 38 основания соседней группы блоков 30 стержней щетки.

Блоки 30 стержней щетки выполнены любым подходящим способом производства. Например, в примере выполнения на фиг.4 и 5 блоки 30 стержня щетки произведены путем намотки щетинок 36 вокруг проволоки 40 стержня и зажатия щетинок 36 по месту держателем или зажимом 42 щетины. Такой способ производства стержня щетки известен и широко используется производителями щеток. В другом варианте выполнения один конец щетинок 36 жестко прикреплен к держателю 42 щетины. Щетинки 36 могут быть образованы из любого подходящего материала, например из текстильного нитяного волокна, пластического волокна, керамических волокон и нитей углеродного волокна. В варианте выполнения щетинки 36 заменяются тканым полотном. В примере выполнения щетинки 36 сформированы из микроволокон, однако в других вариантах выполнения могут быть использованы волокна большего размера.

В одном варианте выполнения ширина узла многостержневого узла 12 щеточного уплотнения составляет от около 0,05 дюйма до около 1,0 дюйма. В другом варианте выполнения ширина узла щеточного уплотнения составляет от около 0,05 до около 0,8 дюйма и еще в одном варианте выполнения от около 0,05 дюйма до около 0,1 дюйма.

Фиг.6 является сечением в увеличенном масштабе узла 50 щеточного уплотнения в соответствии с другим вариантом выполнения настоящего изобретения. Узел 50 щеточного уплотнения включает блоки 52 стержня щетки, примыкающие к первой и второй боковым сторонам 32 и 34 держателя 28 стержней щетки, включающие щетинки 54, выполненные из материала, отличающегося от материала щетинок 36, остальных блоков 30 стержня щетки узла 50. Узел 50 щеточного уплотнения используется при высокой турбулентности и агрессивности среды, когда щетинки 54 блоков 52 подвергаются воздействию турбулентности. Например, в одном варианте выполнения щетинки 54 имеют более жесткие волокна или с большим диаметром, чем у щетинок 36 блоков 30 стержня щетки. В другом варианте выполнения блоки 52 стержня щетки включают щетинки 54, выполненные из материала, отличающегося от материала щетинок 36 блоков 30 стержней.

Фиг.7 является сечением в увеличенном масштабе узла 60 щеточного уплотнения согласно другому варианту выполнения. Узел 60 щеточного уплотнения включает множество чередующихся блоков 62 и 64 стержня щетки. В одном варианте выполнения блоки 62 включают щетинки 66, выполненные из материала, отличающегося от материала щетинок 68 блоков стержня 64. В другом варианте выполнения блоки 62 включают щетинки 66, имеющие большую жесткость, чем щетинки 68 блоков 64 стержня, или больший диаметр нитей.

Хотя изобретение было описано на различных характерных примерах выполнения, специалистам в данной области будет понятно, что изобретение может использоваться с модификациями, не выходящими за рамки идеи и объема формулы изобретения.

1. Узел (12) щеточного уплотнения, содержащий удлиненный держатель (28) стержня щетки, по меньшей мере, три удлиненных блока (30) стержня щетки, плотно соединенных вместе в упомянутом держателе стержней щетки, образуя единый узел, при этом множество блоков (30) стержня щетки плотно соединено в шахматном порядке в держателе стержней щетки, причем каждый упомянутый блок стержня щетки содержит держатель (42) щетины, и множество щетинок (36), соединенных с держателем щетины.

2. Узел (12) щеточного уплотнения по п.1, в котором множество щетинок (36) содержит, по меньшей мере, одно волокно из текстильных нитяных волокон, пластиковых волокон, керамических волокон, нитей углеродных волокон и тканого полотна.

3. Узел (12) щеточного уплотнения по п.1, имеющий ширину от около 0,05 дюйма до около 1,0 дюйма.

4. Узел (12) щеточного уплотнения по п.1, имеющий ширину от около 0,05 дюйма до около 0,8 дюйма.

5. Узел (12) щеточного уплотнения по п.1, имеющий ширину от около 0,05 дюйма до около 0,1 дюйма.

6. Узел (12) щеточного уплотнения, содержащий удлиненный держатель (28) стержня щетки, по меньшей мере, три удлиненных блока (30) стержня щетки, плотно соединенных вместе в шахматном порядке в держателе стержней щетки, причем каждый упомянутый блок стержня щетки содержит держатель (42) щетины и множество щетинок (36), соединенных с упомянутым держателем щетины.

7. Узел (12) щеточного уплотнения по п.6, в котором блок (52) стержня щетки, размещенный на первой боковой стороне (32) упомянутого держателя (28) стержня щетки, и блок (52) стержня щетки, размещенный на второй боковой стороне (34) держателя стержня щетки, содержат множество щетинок (54), которые обладают жесткостью большей, чем у множества щетинок (36) каждого блока (30) стержня щетки, размещенного между блоками (52) стержня щетки, размещенными на первой и второй боковой сторонах держателя стержня щетки.

8. Узел (12) щеточного уплотнения по п.6, в котором блок (52) стержня щетки, размещенный на первой боковой стороне (32) держателя (28) стержня щетки, и блок (52), размещенный на второй боковой стороне (34) держателя, содержат множество щетинок (54), имеющих больший диаметр, чем множество щетинок (36) каждого блока (30) стержня щетки, размещенного между блоками (52) стержня щетки, размещенными на первой и второй боковой стороне держателя стержня щеток.

9. Узел (12) щеточного уплотнения по п.6, в котором каждый блок (62, 64) стержня щетки содержит множество щетинок (66, 68'), которые образованы из материала, который отличается от материала множества щетинок непосредственно примыкающего блока стержня щетки.