Пристрій для негерметичного ущільнення

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 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 2 (19) 1 3 74645 4 для щетини щіткового ущільнювального кільця, що лежному відносно нахилу щетини (13), яка знахомає зазори (31), в стиках між окремими його сегдиться в зоні відповідного стику, напрямку таким ментами, які є в стиках між сегментами опорного чином, що, якщо дивитися в осьовому напрямку, кільця, проходять похило до обертової ущільнющетина (13) і зазори (31), які є в стиках між сегментами опорного кільця, взаємно перехрещуються вальної поверхні (7) під кутом ( ), одна сторона переважно під прямим кутом. якого орієнтована в радіальному напрямку, а інша його сторона орієнтована в тангенціально проти Даний винахід стосується пристрою для негерметичного ущільнення проміжку між статором і ротором 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 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 спицевого центрувального пристрою, яке у взаємодії з циліндричною поверхнею ротора утворює бар'єр, який має певну проникність для текучого середовища, описаний в заявці DE 19628559 Α1. 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 розмірів по суті не супроводжується зміною їх форми. На практиці подібне припущення в багатьох випадках 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 відносно одної і залишаються співвісними при відносних змінах їх розмірів (об'єму, діаметра). При цьому можна забезпечити й осьову фіксацію деталей одна відносно одної. Так, наприклад, у пристрої, описаному у вказаній вище заявці DE 19628559 A1, з боку більш низького робочого тиску передбачений виконаний у вигляді буртика або стовщення опорний елемент (9), до якого притискається щіткове ущільнювальне кільце (поз. 1 і 2) і який виконує також ущільнювальну функцію. Цей опорний елемент (9) ущільнює щіткове ущільнювальне кільце по радіально зовнішньому краю його торця, до більшої частини якого в результаті прикладається тиск, що дорівнює 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 зусилля, яке розраховується множенням різниці робочих тисків на площу вказаної поверхні, навантаженої тиском, що дорівнює цій різниці робочих тисків. Подібним осьовим зусиллям у сполученні з циклічно 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, нагріваючись, "подовжуються" радіально усередину, тобто в бік щіткового ущільнювального кільця, а при охолодженні знову "коротшають" радіально назовні. Подібний процес подовженняукорочування напрямних лопаток повторюється кожного разу при їх нагріванні й охолодженні. Крім високого тертя і зносу цей циклічно повторюваний процес може також приводити до порушення "вільного" центрування однієї деталі відносно іншої, у результаті чого за певних умов може відбутися деформація щіткового ущільнювального кільця і тим самим змінитися створюваний ним ущільнювальний ефект. Виходячи з вищевикладеного, в основу даного винаходу була покладена задача розробити такий пристрій для негерметичного ущільнення проміжку 5 74645 6 між напрямною решіткою, яка має форму вінця, і твердим щіткотримачем (поява так званих вторинротором турбомашини, виконаної принаймні на них витоків). окремих ділянках осьового типу, який при викорисКращі варіанти виконання запропонованого у танні принципу щіткового ущільнення зі спицевим винаході пристрою представлені в залежних пункцентруванням мало б значно більш високі експлутах формули. атаційні характеристики, які забезпечуються за Нижче винахід більш докладно розглянутий з рахунок зменшення тертя і зносу, за рахунок посиланням на додані креслення, на яких у спроцентрування деталей одна відносно одної за відщеному вигляді і без дотримання масштабу покасутності реакцій зв'язку, а також за рахунок змензано: шення вторинних витоків на ділянці осьової опорна Фіг.1 - фрагмент зображеної в поздовжньоної поверхні щіткового ущільнювального кільця. Ця му розрізі газової турбіни в зоні її внутрішнього задача вирішується за допомогою ознак відмітної повітряного ущільнення, частини цього пункту. У цьому пристрої функцію на Фіг.2 - фрагмент показаних на Фіг.1 ущільущільнювального опорного елемента для щетини нювальних елементів у проекції на площину, перз боку більш низького робочого тиску виконує розпендикулярну до поздовжньої осі газової турбіни, ташоване радіально поблизу від обертової ущільна Фіг.3 - зображене в поперечному перерізі нюваної поверхні опорне кільце, яке виконане за щіткове ущільнювальне кільце з напрямним елеодне ціле з хвостовиками напрямних лопаток і ментом, відповідно до цього уже більш не є компонентом на Фіг.4 - фрагмент показаного на Фіг.3 щіткощіткового ущільнювального кільця. Виконання вого ущільнювального кільця в проекції на площиспицевого центрувального пристрою проникним ну, перпендикулярну до поздовжньої осі газової для тиску дозволяє практично повністю виключити турбіни, навантаження запропонованого у винаході прина Фіг.5 - зображене в поперечному перерізі строю тиском в осьовому напрямку і тим самим щіткове ущільнювальне кільце з кільцем жорсткосуникнути силового впливу на нього, оскільки тиск, ті і напрямними елементами, що дорівнює різниці робочих тисків, прикладається на Фіг.6 - фрагмент показаного на Фіг.5 щітколише до невеликої за площею кільцевої ділянки вого ущільнювального кільця в проекції на площищетини, розташованої між ротором і опорним кіну, перпендикулярну до поздовжньої осі газової льцем. Враховуючи, що очікуваний знос щетини турбіни, поблизу опорного кільця є незначним і в принципі на Фіг.7 - зображене в поперечному перерізі повинен бути менший в порівнянні з її зносом побщіткове ущільнювальне кільце, виконане у вигляді лизу обертової ущільнюваної поверхні, ступінь зварної конструкції, з напрямними елементами, зносу щетини саме поблизу обертової ущільнювана Фіг.8 - фрагмент показаного на Фіг.7 щітконої поверхні, є критерієм, за яким визначають невого ущільнювального кільця в проекції на площиобхідність заміни щіткового ущільнювального кільну, перпендикулярну до поздовжньої осі газової ця. При цьому виходять з того, що за винятком турбіни, і заміни цього щіткового ущільнювального кільця ні на Фіг.9 - фрагмент показаних на Фіг.1 ущільротор, ні хвостовики напрямних лопаток, включанювальних елементів у зоні стику між хвостовикаючи виконане за одне ціле з ними опорне кільце, ми напрямних лопаток у проекції на площину, перне потребують відповідного плановопендикулярну до поздовжньої осі газової турбіни. попереджувального ремонту. Залежно від того, чи На Фіг.1 показаний запропонований у винаході виконані всі утворюючі один вінець напрямні лопапристрій 1, розташований на ділянці внутрішнього тки у вигляді суцільної конструкції або вони об'єдповітряного ущільнення газотурбінного двигуна нані в окремі сегменти, відповідно виконані у ви(ГТД). На цьому кресленні показана, зокрема, нагляді окремих деталей, опорне кільце також є або прямна лопатка 2, система кріплення якої до стасуцільним, або сегментованим і тим самим має тора, тобто до корпуса двигуна, на кресленні не зазори в стиках між окремими його сегментами. показана, оскільки передбачається, що така сисОскільки в процесі роботи окремі напрямні лопатки тема кріплення має відоме виконання. Ліворуч і або їх сегменти, у які об'єднана невелика кількість праворуч від напрямної лопатки 2, тобто по ходу лопаток, можуть незначно пружно деформуватися, потоку перед і за нею, розташовані робочі лопатки піддаючись скручуванню навколо уявної радіаль8 і 9, які є компонентами ротора 6. До цього ротора ної осі, сегменти опорного кільця, які примикають відноситься також обертова разом з ним цилінддо хвостовиків відповідних напрямних лопаток, рична ущільнювана поверхня 7. Хвостовик 3 натакож можуть трохи повертатися навколо цієї ж прямної лопатки 2 проходить радіально усередиосі, утворюючи в результаті вже не оптимально ну, тобто зверху вниз у площині креслення, аж до рівну, а трохи східчасту опорну поверхню з устувласне ущільнювальної ділянки на роторі. У сукуппами, розташованими на стиках між окремими ності всі напрямні лопатки 2, включаючи їх хвостосегментами. Щетина завдяки її пружності дозволяє вики 3, утворюють концентричний відносно ротора компенсувати подібну "нерівність" опорної поверхвінець орієнтованих в основному в радіальному ні без погіршення ущільнюваного ефекту. При напрямку напрямних лопаток. У невеликих газових цьому слід зазначити, що в пристроях відомих з турбінах напрямні лопатки часто виконують у вирівня техніки конструкцій [див., зокрема, DE гляді суцільної конструкції з нерознімно з'єднаних 19628559 A1] може відбуватися небажане просоміж собою лопаток, наприклад у вигляді литої, чування текучого середовища в порівняно великих відповідно зварної конструкції, а в більш великих кількостях через зазори, які утворюються між опомашинах або двигунах декілька лопаток звичайно рними сегментами, які піддаються скручуванню, і об'єднують у єдиний сегмент, формуючи в цьому 7 74645 8 випадку лопатковий вінець з декількох таких сегНа Фіг.4 те ж, що і на попередньому кресленні, ментів. Зазори в стиках, які є між подібними сегщіткове ущільнювальне кільце показане в проекції ментами лопаток, при необхідності закривають на площину, перпендикулярну до поздовжньої осі відповідними ущільнювальними елементами. В турбіни. особливих випадках кожну напрямну лопатку можНа Фіг.5 показане щіткове ущільнювальне кіна виконувати у вигляді окремої деталі, що дозвольце 11, щітковий елемент якого стабілізований ляє спростити складання. рознімним кільцем 28 жорсткості. Подібну конструЗапропоноване в даному винаході рішення в кцію найбільш доцільно використовувати для щітпринципі може використовуватися при усіх вищеокових ущільнювальних кілець великого діаметра, у писаних варіантах конструктивного виконання лояких вузол, який складається з затискного кільця паткового вінця. Як нерухомий ущільнювальний 18, осердя 20 і щетини 14, не має достатньої влаелемент запропонований у винаході пристрій має сної формостійкості (жорсткості). Кільце 28 жорстщіткове ущільнювальне кільце 10, яке кріпиться до кості охоплює по зовнішньому периметру затискне хвостовиків 3 напрямних лопаток спицевого кільце 18 і будучи з'єднане з ним з геометричним центрувального пристрою 4. Пристрій 1 відокремзамиканням перешкоджає також його осьовому лює простір, у якому переважає більш високий зміщенню в обох напрямках. З боку більш високого робочий тиск р1, від простору, у якому переважає робочого тиску розташоване виконане за одне більш низький робочий тиск р2. З боку більш низьціле з кільцем жорсткості закриваюче кільце 29, кого тиску з невеликим радіальним відступом А від яке на порівняно велику відстань виступає радіаущільнюваної поверхні 7 розташований виконаний льно усередину і яке дозволяє захистити щетину за одне ціле з хвостовиками 3 напрямних лопаток, 14 головним чином від впливу створюваних при за певних умов сегментоване опорне кільце 5 для обертанні ротора вихрових потоків. У розглянутощетини щіткового ущільнювального кільця 10. му варіанті напрямні елементи 23 і 24 спицевого Оскільки спицевий центрувальний пристрій 4 вицентрувального пристрою закріплені заклепкою конаний проникним для тиску, більш високий ро27, яка скріплює також між собою обидві частини бочий тиск р1 впливає і на правий торець щітковокільця 28 жорсткості. При відповідному конструкго ущільнювального кільця аж до місця прилягання тивному виконанні напрямні елементи 23, 24 можйого щетини до опорного кільця 5. При цьому тисна виконати такими, що повертаються навколо осі ком, що дорівнює різниці тисків р1 і р2, навантазаклепки, що дозволяє підвищити рухливість спижена лише винятково невелика за площею кільцецевого центрувального пристрою і зробити більш ва ділянка В щетини, що залишається на ділянці легким його хід. У принципі існує також можливість між ущільнюваною поверхнею 7 і опорним кільцем виконати кільце жорсткості лише з такою осьовою 5, у результаті чого на кінці щетини й опорне кільдовжиною, яка відповідає осьовій довжині затискце 5 діє лише невелике результуюче осьове зуного кільця, а для осьової фіксації щіткового елесилля. Тим самим спицевий центрувальний примента використовувати напрямні елементи, відпострій 4 в осьовому напрямку не навантажений відно подовживши їх радіально усередину на тиском, тобто працює практично без тертя і тому потрібну величину. Цей варіант у більшому ступені практично не підданий зносу. відповідає полегшеній конструкції. Залежно від На Фіг.2 у проекції на площину, перпендикуляхарактеристик зональних (локальних) потоків існує рну до поздовжньої осі турбіни, більш наочно поможливість відмовитися в багатьох випадках від казані ущільнювальні елементи, зображені лише застосування закриваючого кільця. Так, зокрема, частково. При цьому на кресленні показані обервідповідно до ще одного варіанта з однієї сторони това ущільнювана поверхня 7, нахилена під кутом щіткового ущільнювального кільця можна як осьоα до неї відповідно до напрямку обертання ротора вий упор для щіткового елемента передбачити щетина 13, а також виконаний у вигляді сухаря уступ на кільці жорсткості, а з іншої сторони для напрямний елемент 22, який встановлений у наявиконання цієї ж функції подовжити радіально вному в хвостовику 3 напрямної лопатки пазу 16 з усередину напрямні елементи на відповідну велиможливістю радіального переміщення в ньому. В чину. іншому варіанті такий паз можна виконати в щіткоНа Фіг.6 той же, що і на Фіг.5, пристрій показавому ущільнювальному кільці, а сухар - на хвостоний у проекції на площину, перпендикулярну до вику напрямної лопатки. його поздовжньої осі. На Фіг.3 у збільшеному масштабі й у поперечНа Фіг.7 показане щіткове ущільнювальне кіному перерізі показаний фрагмент щіткового ущільце 12, щетина 15 якого закріплена не або прильнювального кільця 10 на ділянці напрямного наймні не тільки з фрикційним замиканням, а вбуелемента 22. У показаному на кресленні варіанті дована в кільце-тримач будучи нерознімно мова йде про виконання щіткового ущільнювальз'єднана з ним присадним матеріалом з утворенного кільця з фрикційним замиканням, у якого його ням зварного шва 30. Аналогічне нерознімне з'єдщетина 13 пропущена навколо осердя 19 і зафікнання можна також одержати паянням або склеюсована на ньому С-подібним затискним кільцем 17. ванням, однак у цьому випадку таке з'єднання за Відповідно до цього обидва кінці кожної щетинки певних умов буде мати знижену термостійкість. У прилягають на ущільнювальній ділянці до ротора. розглянутому варіанті розташовані з обох сторін Напрямний елемент 22, який є частиною спицевощетини напрямні елементи 25 утворені на самому го центрувального пристрою із фрикційним замикільці-тримачі 21 за рахунок видалення частини канням і з можливістю регулювання за положенйого матеріалу, наприклад фрезеруванням або ням зафіксований на затискному кільці 17 електрохімічною обробкою. затискним гвинтом 26. На Фіг.8 той же, що і на попередньому крес 9 74645 10 ленні, пристрій також показаний у проекції на пловеличину якого переважно підбирати з таким розщину, перпендикулярну до поздовжньої осі турбірахунком, щоб вказаний зазор під прямим кутом ни. перехрещувався з відхиленою під кутом щетиНа Фіг.9 показаний варіант, у якому між хвосною. Якщо дотримання подібної умови пов'язано з товиками напрямних лопаток є стики, тобто варівиникненням певних проблем, пов'язаних з устаант з об'єднаними в сегменти або виконаними у новкою напрямних лопаток при виконанні складавигляді окремих деталей напрямними лопатками. льних операцій, то наявний між їхніми хвостовикаНа цьому кресленні показані, зокрема, хвостовики ми стик на ділянці розташування щетини можна 3 двох сусідніх напрямних лопаток з наявним у також відхилити на менший кут відносно його орієстику між ними зазором 31, який продовжується й нтованої в радіальному напрямку ділянки, відповів опорному кільці 5, локально перериваючи його дно виконати таким, що повністю проходить у расуцільність. При цьому щетина 13 нахилена під діальному напрямку. кутом до обертової ущільнюваної поверхні 7, а На закінчення необхідно відзначити, що щетиточніше до локальної дотичної, проведеної до цієї на може розташовуватися в щітковому ущільнюповерхні. Для уникнення застрявання або защемвальному кільці не тільки переважно в радіальнолення щетини 13 в утвореному в стику між хвостому напрямку, але й в осьовому напрямку і мати в виками лопаток зазорі 31 при її переміщенні відноцьому випадку загнуті в радіальному напрямку сно нього цей зазор, який в іншому орієнтований у вільні кінці (утворюючи щіткове ущільнення із зіградіальному напрямку, на ділянці, на якій розтанутою щетиною). шована щетина, проходить похило під кутом , 11 Комп’ютерна верстка Л. Купенко 74645 Підписне 12 Тираж 26 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601