Турбомашина с уплотнением для разделения рабочей среды и охлаждающей среды турбомашины и применение турбомашины

Турбомашина включает статор с компонентами статора, ротор с, по меньшей мере, одним компонентом ротора и, по меньшей мере, один канал для направления рабочей среды для приведения в движение ротора. Канал рабочей среды ограничен компонентом статора и компонентом ротора. Компонент статора содержит канал охлаждающей среды. Между ротором и статором выполнена полость, причем между полостью и каналом охлаждающей среды расположен разделительный барьер для разделения канала рабочей среды и канала охлаждающей среды друг с другом. Разделительный барьер содержит два уплотнительных кольца, расположенных в осевом направлении относительно друг друга, ограничивая пространство между уплотнительными кольцами, которое является частью канала охлаждающей среды. Уплотнительные кольца находятся в скользящем контакте с одним из компонентов статора. Для размещения, по меньшей мере, одного из уплотнительных колец образован зазор под уплотнительное кольцо посредством несущего кольца лопаток и/или основного кольца статора. Ширина зазора под уплотнительное кольцо соответствует ширине уплотнительного кольца, так чтобы уплотнительное кольцо очень точно устанавливалось в паз. Другое изобретение группы относится к применению указанной выше турбомашины для выработки электричества или для вращения дополнительного компонента посредством подвода рабочей среды к лопаткам ротора по каналу рабочей среды. Группа изобретений позволяет надежно разделить охлаждающую и рабочую среды в турбомашине. 2 н. и 6 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

Область техники

Изобретение относится к турбомашине с уплотнением для разделения рабочей среды и охлаждающей среды турбомашины и применению турбомашины.

Предшествующий уровень техники

Турбомашину, например, газовую турбину или паровую турбину, используют для выработки электроэнергии. Такая турбомашина содержит статор с по меньшей мере одним компонентом статора и ротор с по меньшей мере одним компонентом ротора.

Компонентом ротора является осевой вал с множеством лопаток ротора. Лопатки ротора расположены кольцеобразно вокруг осевого вала.

Компонентами статора являются (основное) кольцо статора, множество направляющих лопаток для направления рабочей среды турбомашины (горячего газа в случае газовой турбины и перегретого пара в случае паровой турбины) и несущее кольцо лопаток для поддержки направляющих лопаток. Кольцо статора и вал ротора расположены на одной оси друг с другом. Направляющие лопатки расположены кольцеобразно вокруг несущего кольца лопаток.

Направляющие лопатки способствуют направлению рабочей среды с целью попадания рабочей среды на лопатки ротора.

Рабочая среда направляется по каналу рабочей среды турбомашины. Канал рабочей среды ограничен по меньшей мере одним из компонентов статора и по меньшей мере одним из компонентов ротора. Благодаря очень высокой температуре рабочей среды ограничивающий компонент статора и/или ограничивающий компонент ротора подвержены очень высоким нагрузкам.

Для уменьшения температуры поверхности направляющих лопаток и увеличения срока службы направляющих лопаток с целью охлаждения направляющих лопаток осуществляется распыление охлаждающей среды. Течение охлаждающей среды по поверхности направляющей лопатки ведет к переносу тепла с направляющей лопатки к охлаждающей среде, тем самым, уменьшая температуру направляющей лопатки.

С этой целью охлаждающая среда распыляется в канал охлаждающей среды, который предпочтительно расположен между лопатками и кольцом статора. Канал охлаждающей среды должен быть уплотнен для эффективной циркуляции охлаждающей среды внутри канала охлаждающей среды и предотвращения утечки охлаждающей среды из канала охлаждающей среды в другие части турбомашины, в особенности в канал рабочей среды.

Однако расположение направляющих лопаток вокруг несущего кольца лопаток и расположение канала охлаждающей среды между направляющими лопатками и несущим кольцом направляющих лопаток может привести к образованию одного или более зазоров. Кроме того, из-за относительного смещения направляющей лопатки, несущего кольца направляющих лопаток и основного кольца статора во время эксплуатации турбомашины нельзя предотвратить расширение существующих зазоров. Это ведет к увеличению утечки охлаждающей среды в другие части турбомашины. По этой причине не обеспечивается требуемое охлаждение направляющих лопаток. Эффективность механизма охлаждения снижается.

Согласно документу US 2738949 A сопловая лопатка имеет внутренний охлаждающий канал. Вращающиеся части и не вращающиеся части разделены лабиринтными уплотнениями.

Для уменьшения описываемой проблемы вышеуказанные зазоры должны быть исключены для предотвращения утечки охлаждающей среды из канала охлаждающей среды. Кроме того, обеспечивают уплотнительные конструкции с уплотнительными кольцами для уплотнения зазоров. Однако такие уплотнительные конструкции содержат жесткие уплотнительные компоненты. Во время эксплуатации в жестких уплотнительных компонентах образуются трещины. Эти трещины вызывают увеличение утечки. В результате ограничивается эффективность уплотнительных компонентов.

Раскрытие изобретения

Задачей изобретения является создание турбомашины с эффективным уплотнением для разделения охлаждающей среды турбомашины и рабочей среды турбомашины.

Другой задачей изобретения является обеспечение применения турбомашины.

Эти задачи решаются изобретением, которое определено в формуле изобретения.

Изобретение относится к турбомашине, которая содержит статор с по меньшей мере одним компонентом статора, ротор с по меньшей мере одним компонентом ротора, по меньшей мере одну полость между ротором и статором и по меньшей мере один канал рабочей среды для подвода рабочей среды для приведения в движение ротора, при этом канал рабочей среды ограничен компонентом статора и компонентом ротора. Компонент статора содержит по меньшей мере один канал охлаждающей среды для охлаждения компонента статора посредством охлаждающей среды, и по меньшей мере один разделительный барьер расположен между полостью и каналом охлаждающей среды для разделения канала рабочей среды и канала охлаждающей среды друг с другом. Разделительный барьер содержит по меньшей мере два уплотнительных кольца, причем два уплотнительных кольца расположены в осевом направлении относительно друг друга, ограничивая пространство между уплотнительными кольцами. Пространство между уплотнительными кольцами является частью канала охлаждающей среды, и уплотнительные кольца находятся в скользящем контакте с первым из компонентов статора.

Уплотнительные кольца, в частности, применены между двумя компонентами статора, а не между вращающимся и не вращающимся компонентами.

Эта турбомашина применяется для выработки электричества посредством подвода рабочей среды к лопаткам ротора по каналу рабочей среды. С этой целью ротор соединен с по меньшей мере одним генератором. Как альтернатива, эта турбомашина может быть применена для механического приведения в действие дополнительного компонента, например, насоса или компрессора.

Рабочая среда является горячим газом в газовой турбине или перегретым паром в паровой турбине. Горячий газ газовой турбины содержит выходящие газы процесса сгорания (окисления топлива). Температура горячего газа достигает величины более 1000°C. Охлаждающей средой предпочтительно является воздух.

Обеспечены первое уплотнительное кольцо (переднее уплотнительное кольцо) и второе уплотнительное кольцо (заднее уплотнительное кольцо). Уплотнительные кольца расположены таким образом, что оси вращения уплотнительных колец (параллельные нормали плоскостей уплотнительных колец, которые образованы уплотнительными кольцами), по существу, ориентированы параллельно радиальному направлению ротора (таким образом, уплотнительные кольца лежат, по существу, перпендикулярно осевому направлению ротора). Понятия «по существу, параллельные или перпендикулярные» обозначают отклонение ориентации вплоть до 10° от параллельной или перпендикулярной ориентации. Предпочтительно, отклонение составляет менее 5°.

Посредством уплотнительных колец может обеспечиваться эффективное охлаждение компонента статора. Кроме того, благодаря использованию уплотнительных колец рабочая среда не может попасть в канал охлаждающей среды, и/или охлаждающая среда не может попасть в канал рабочей среды. Исключается контакт охлаждающей среды и рабочей среды. Среды не приходят в контакт друг с другом.

Что касается предпочтительного варианта выполнения, компонентом статора является несущее кольцо лопаток. Несущее кольцо лопаток, которое является компонентом статора, содержит канал охлаждающей среды. Направляющие лопатки, которые также являются компонентами статора, прикреплены к несущему кольцу лопаток так, чтобы направляющие лопатки могли охлаждаться охлаждающей средой, которая может быть подведена по каналу охлаждающей среды.

Предпочтительно, статор содержит по меньшей мере один дополнительный компонент статора, который является основным кольцом статора. Несущее кольцо лопаток и основное кольцо статора соединены друг с другом посредством уплотнительных колец, так что пространство между уплотнительными кольцами дополнительно ограничено несущим кольцом лопаток и основным кольцом статора. Пространство между уплотнительными кольцами образовано уплотнительными кольцами, несущим кольцом лопаток и основным кольцом статора.

Что касается предпочтительного варианта выполнения, несущее кольцо лопаток и/или основное кольцо статора образуют по меньшей мере один зазор под уплотнительное кольцо для размещения по меньшей мере одного из уплотнительных колец. Уплотнительные кольца могут быть, по меньшей мере, частично расположены в зазорах под уплотнительные кольца. Такой зазор под уплотнительное кольцо может быть образован в несущем кольце лопаток и/или основном кольце статора. В такой конфигурации уплотнительные кольца могут быть вставлены в зазор под уплотнительное кольцо на одной поверхности. Другая поверхность не должна содержать такой зазор, так чтобы другой радиальный конец уплотнительного кольца мог скользить по противоположной поверхности.

Предпочтительно, уплотнительные кольца и противоположная поверхность выполнены так, чтобы вызванное нагревом вытеснение и/или вызванное нагревом смещение несущего кольца лопаток и/или основного кольца статора могли быть компенсированы. Из-за воздействия теплового напряжения, которое возникает во время эксплуатации турбомашины, компоненты турбомашины могут перемещаться относительно друг друга. Кроме того, возникающие относительно большие осевые смещения и/или малые радиальные смещения могут быть компенсированы посредством идеи изобретения. Посредством изобретения эти перемещения не оказывают влияния на эффективное охлаждение компонентов. Механизм уплотнения является очень надежным.

Предпочтительно, каждое из уплотнительных колец помещено в зазор под уплотнительное кольцо, т.е. цилиндрическое углубление или паз, на одном радиальном конце уплотнительного кольца. На другом радиальном конце уплотнительного кольца это уплотнительное кольцо не вставлено в зазор в противоположной поверхности, а находится в скользящем контакте с противоположной поверхностью, которая является цилиндрической. Это позволяет уплотнительным кольцам скользить по этой цилиндрической поверхности и, следовательно, обеспечивает адаптацию к температурным воздействиям.

Краткое описание чертежей

Другие особенности и преимущества изобретения станут понятными из описания поясняющего варианта осуществления со ссылками на чертежи. Чертежи являются схематичными.

На фиг. 1 показана турбомашина, вид в разрезе;

на фиг. 2 подробно показана часть из фиг. 1.

Варианты осуществления изобретения

Далее приведено описание турбомашины 1. Эта турбомашина является газовой турбиной. Турбомашина 1 содержит статор 11 с компонентами 111 статора. Компоненты статора представляют собой основное кольцо 1111 статора, несущее кольцо 1112 лопаток и направляющие лопатки 1113.

Турбомашина дополнительно содержит ротор 12 с по меньшей мере одним компонентом 121 ротора. Компонент ротора содержит осевой вал ротора, на котором установлено некоторое количество лопаток ротора для приведения в движение вала ротора. Вал ротора, несущее кольцо 1112 лопаток и основное кольцо 1111 статора расположены коаксиально друг другу.

Между компонентами 111 статора и валом 121 ротора расположен по меньшей мере один канал 13 рабочей среды для направления рабочей среды (131, горячего выходящего газа процесса горения) к лопаткам ротора. Рабочая среда 131 может проходить по каналу 13 рабочей среды к лопаткам ротора 12 для приведения в движение ротора 12. Канал 13 рабочей среды ограничен компонентами статора (основным кольцом статора, несущим кольцом лопаток) и компонентом ротора (валом ротора).

Между частями статора и частями ротора обеспечены полости 20, в которые может проникать, по существу, горячая среда из канала 13 рабочей среды, смешанная с холодной охлаждающей средой.

Компоненты статора содержат канал 14 охлаждающей среды для охлаждения компонентов статора с помощью охлаждающей среды 141. Охлаждающей средой является воздух.

Между полостью 20 и каналом 14 охлаждающей среды расположен разделительный барьер 15, например, для разделения канала 14 охлаждающей среды и канала 13 рабочей среды или полости 20 друг с другом.

Разделительный барьер 15 содержит два уплотнительных кольца (переднее уплотнительное кольцо 151 и заднее уплотнительное кольцо 152). Два уплотнительных кольца 151 и 152 расположены в осевом направлении относительно друг друга, ограничивая пространство 153 между уплотнительными кольцами 151 и 152. Пространство 153 между уплотнительными кольцами является частью канала 14 охлаждающей среды.

Несущее кольцо 1112 лопаток и основное кольцо 1111 статора образуют зазоры 154 под уплотнительные кольца для размещения уплотнительных колец 151, 152. Уплотнительные кольца 151 и 152 могут быть размещены в зазорах 154 под уплотнительные кольца. Зазор 154 под уплотнительные кольца является, по существу, цилиндрическим пазом, в который может быть частично вставлено уплотнительное кольцо.

Согласно фигурам в такой зазор 154 под уплотнительное кольцо вставляется только один радиальный конец уплотнительного кольца (151 или 152). Другой конец этого уплотнительного кольца (151 или 152) не вставляется в такой паз и может скользить по противоположной поверхности.

Ширина зазоров 154 под уплотнительные кольца должна соответствовать ширине уплотнительного кольца 151 или 152, так чтобы уплотнительное кольцо очень точно помещалось в паз.

С помощью уплотнительных колец 151 и 152 могут компенсироваться вызванное нагревом вытеснение и вызванное нагревом смещение несущего кольца 1112 лопаток и основного кольца 1111 статора из-за относительно больших осевых перемещений 155 и/или относительно малых радиальных перемещений 156.

Эту турбомашину используют для выработки электричества посредством подвода рабочей среды к лопаткам ротора по каналу рабочей среды. С целью выработки электричества ротор соединен с генератором.

1. Турбомашина (1), включающая в себя:

– статор (11) с компонентами (111, 1111, 1112) статора;

– ротор (12) с по меньшей мере одним компонентом (121) ротора;

– по меньшей мере одну полость (20) между ротором (12) и статором (11);

– по меньшей мере один канал (13) рабочей среды для направления рабочей среды (131) для приведения в движение ротора, причем

– канал рабочей среды ограничен компонентом статора и компонентом ротора;

– компонент (111, 1111, 1112) статора содержит по меньшей мере один канал (14) охлаждающей среды для охлаждения компонента (111, 1111, 1112) статора посредством охлаждающей среды (141); и

– по меньшей мере один разделительный барьер (15) расположен между полостью (20) и каналом (14) охлаждающей среды для разделения канала (13) рабочей среды и канала (14) охлаждающей среды друг с другом;

отличающаяся тем, что

– разделительный барьер (15) содержит по меньшей мере два уплотнительных кольца (151, 152);

– два уплотнительных кольца (151, 152) расположены в осевом направлении относительно друг друга, ограничивая пространство (153) между уплотнительными кольцами (151, 152);

– пространство (153) между уплотнительными кольцами является частью канала (14) охлаждающей среды; и

– уплотнительные кольца (151, 152) находятся в скользящем контакте с одним из компонентов (111, 1111, 1112) статора;

причем для размещения, по меньшей мере, одного из уплотнительных колец (151, 152) образован по меньшей мере один зазор (154) под уплотнительное кольцо посредством несущего кольца (1112) лопаток и/или основного кольца (1111) статора;

при этом ширина зазора (154) под уплотнительное кольцо должна соответствовать ширине уплотнительного кольца (151, 152), так чтобы уплотнительное кольцо очень точно устанавливалось в паз.

2. Турбомашина по п. 1, в которой рабочая среда (141) является горячим газом газовой турбины или перегретым паром паровой турбины.

3. Турбомашина по п. 1 или 2, в которой статор содержит несущее кольцо (1112) лопаток.

4. Турбомашина по п. 3, в которой

– статор (12) содержит по меньшей мере один дополнительный компонент (111) статора, который является основным кольцом (1111) статора, и

– несущее кольцо (1112) лопаток и основное кольцо (1111) статора соединены друг с другом посредством уплотнительных колец (151, 152), так что пространство (153) между уплотнительными кольцами дополнительно ограничено несущим кольцом (1112) лопаток и основным кольцом (1111) статора.

5. Турбомашина по п. 4, в которой уплотнительные кольца (151, 152) выполнены так, чтобы вызванное нагревом вытеснение и/или вызванное нагревом смещение несущего кольца (1112) лопаток и/или основного кольца (1111) статора могли быть компенсированы.

6. Турбомашина по одному из пп. 1–5, в которой одно из колец, к которым относятся несущее кольцо (1112) лопаток и основное кольцо (1111) статора, имеет часть с цилиндрической поверхностью, и уплотнительные кольца (151, 152) находятся в скользящем контакте с этой частью с цилиндрической поверхностью.

7. Турбомашина по одному из пп. 1–6, в которой уплотнительные кольца (151, 152) выполнены так, чтобы вызванное нагревом вытеснение и/или вызванное нагревом смещение несущего кольца (1112) лопаток и/или основного кольца (1111) статора могли быть компенсированы посредством скольжения уплотнительных колец (151, 152) по одному из колец, к которым относятся несущее кольцо (1112) лопаток и основное кольцо (1111) статора.

8. Применение турбомашины по одному из пп. 1–7 для выработки электричества или для вращения дополнительного компонента посредством подвода рабочей среды к лопаткам ротора по каналу рабочей среды.