Эллиптическое уплотнение

Эллиптическое уплотнение

Иллюстрации

Показать все

Реферат

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

[0101] Данная заявка относится в целом к уплотнениям, используемым в ротационных машинах, а более конкретно к гибкому и истираемому лабиринтному уплотнению, имеющему эллиптическую форму и применяемому в ротационных машинах, например ротационном компрессоре и ему подобных машинах.

ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0102] В ротационной машине одно или несколько уплотнений по существу проходят вдоль границы между вращающимися и неподвижными компонентами (US 2007/132193). Например, компрессоры, турбины и подобное оборудование могут иметь одно или несколько уплотнений на границе между вращающимися рабочими лопатками, расположенными внутри корпуса или направляющего устройства. Указанные уплотнения предназначены для поддержания перепада давлений между впускными и выпускными сторонами вращающихся компонентов. Меньшая величина зазора в месте уплотнения по существу улучшает эксплуатационные характеристики уплотнения и общий к.п.д. ротационной машины благодаря ограничению протечки в указанном месте.

[0103] Вместе с тем, уплотнения и их компоненты могут подвергаться воздействию сравнительно высоких температур, перепадам температур, а также тепловому расширению и сжатию в процессе разных этапов эксплуатации ротационной машины, например в процессе запуска и других переходных режимов. Обычно уплотнение предполагает увеличенный размер зазора для уменьшения вероятности контакта и повреждения между вращающимися и неподвижными компонентами в процессе указанных переходных режимов работы. Однако данный увеличенный размер зазора также может ухудшить эксплуатационные характеристики и эффективность уплотнения ротационной машины в целом, что обусловлено потоком протечки через уплотнение. Протечка текучей среды между ротором и корпусом может привести к уменьшению к.п.д. компрессора и, следовательно, к повышенным затратам на топливо.

[0104] Таким образом, имеется необходимость в создании усовершенствованного уплотнения для ротационной машины, например компрессора и т.п., которое обеспечит уменьшение протечки через уплотнение при сохранении соответствующего зазора в процессе переходных режимов работы, а также в условиях установившегося режима. Данная уменьшенная протечка должна улучшить общий к.п.д., не допуская при этом повреждения компонентов механизма.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0105] Таким образом, в данной заявке предложено эллиптическое уплотнение для использования в роторе и корпусе статора ротационной машины. Эллиптическое уплотнение может содержать уплотнительные сегменты, выполненные с истираемым покрытием. Уплотнительные сегменты с истираемым покрытием могут иметь по существу эллиптическую форму. Поджимающие элементы могут взаимодействовать с уплотнительными сегментами и корпусом статора.

[0106] Кроме того, в данной заявке предложено эллиптическое уплотнение для использования в роторе и корпусе статора ротационной машины. Эллиптическое уплотнение может содержать пару эллиптических уплотнительных сегментов, выполненных с истираемым покрытием. Поджимающие элементы взаимодействуют с эллиптическими уплотнительными сегментами и корпусом статора с обеспечением поджатия пары эллиптических уплотнительных сегментов с истираемым покрытием по направлению к ротору.

[0107] Помимо этого, в данной заявке предложена ротационная машина. Ротационная машина может иметь корпус статора, ротор, пару эллиптических уплотнительных сегментов, выполненных с истираемым покрытием и расположенных между указанными корпусом и ротором, и поджимающие элементы, выполненные с возможностью взаимодействия с парой эллиптических уплотнительных сегментов и корпусом статора с обеспечением поджатия пары указанных уплотнительных сегментов по направлению к ротору.

[0108] Указанные и другие свойства и новшества, представленные в данной заявке, станут понятными специалисту после ознакомления с приведенным ниже подробным описанием, выполненным со ссылкой на чертежи, и прилагаемой формулой изобретения.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

[0109] Фиг.1 представляет собой схематическое изображение газотурбинного двигателя.

[0110] Фиг.2 представляет собой разрез эллиптического уплотнения, которое в данном случае может быть расположено внутри ротационной машины.

[0111] Фиг.3 представляет собой осевую проекцию эллиптического уплотнения, изображенного на фиг.2, которое расположено у ротора ротационной машины.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ

[0112] Теперь обратимся к чертежам, на которых одинаковыми номерами позиций обозначены одинаковые элементы. На фиг.1 представлено схематическое изображение ротационной машины, например газотурбинного двигателя 10. Газотурбинный двигатель 10 может содержать компрессор 15. Компрессор 15 сжимает входящий потока воздуха 20 и подает поток сжатого воздуха 20 в камеру 25 сгорания. Камера 25 сгорания смешивает поток сжатого воздуха 20 с потоком сжатого топлива 30 и воспламеняет смесь, образуя поток газообразных продуктов 35 сгорания. Хотя на чертеже изображена только одна камера 25 сгорания, газотурбинный двигатель 10 может иметь любое количество указанных камер. В свою очередь, поток газообразных продуктов 35 сгорания подается в турбину 40. Поток газообразных продуктов 35 сгорания приводит в движение турбину 40 для выполнения механической работы. Механическая работа, выполняемая турбиной 40, приводит в действие компрессор 15 и внешнюю нагрузку 45, например электрогенератор и подобные устройства.

[0113] Газотурбинный двигатель 10 может работать на природном газе, разных видах синтетического газа и/или других видах топлива. Газотурбинный двигатель 10 может представлять собой один из многочисленных и разнообразных газотурбинных двигателей, предлагаемых компанией «Дженерал Электрик», Скенектади, штат Нью-Йорк, и подобных им. Газотурбинный двигатель 10 может иметь другие конфигурации, и в нем могут использоваться компоненты других типов. Также можно применять газотурбинные двигатели других типов. Кроме того, можно совместно использовать несколько газотурбинных двигателей 10, другие типы турбин и другое энергетическое оборудование. Помимо этого можно использовать другие типы ротационных машин.

[0114] Как правило, протечка газов из газового тракта или их просачивание в газовый тракт газотурбинного двигателя 10, которые происходят из области более высокого давления в область более низкого давления, являются нежелательными. Как описано выше, нарушение герметичности газового тракта в компрессоре 15 и/или в турбине 40 может уменьшить эффективность всего газотурбинного двигателя 10 и привести к увеличению расходов на топливо. Поэтому газотурбинный двигатель 10 может содержать уплотнение 50, выполненное в компрессоре 15 и/или турбине 40. Уплотнение 50 обеспечивает минимальный зазор между неподвижными и вращающимися компонентами. В результате, протечка текучей среды через указанные компоненты может быть минимизирована для увеличения общего к.п.д.

[0115] На фиг.2 изображена часть описываемой ротационной машины 100. В данном примере ротационная машина 100 может содержать компрессор 110, аналогичный вышеописанному компрессору 15. Компрессор 110 по существу содержит ротор 120, расположенный внутри корпуса 130 статора. Ротор 120 может быть соединен с валом входного устройства (не показан) или иным механизмом. Кроме того, корпус 130 может иметь впускные и выпускные отверстия (не показаны), обеспечивающие передачу текучей среды к ротору 120 и его компонентам, а также от указанного ротора и его компонентов, или наоборот. При вращении ротора 120 поступающая текучая среда может втягиваться через впускные отверстия, а сжатая текучая среда может выпускаться через выпускные отверстия. Можно применять другие конфигурации и компоненты.

[0116] Эллиптическое уплотнение 140 может быть расположено между ротором 120 и корпусом 130 статора и может быть выполнено с возможностью регулировки протечки текучей среды через него без повреждения соответствующих компонентов. Хотя эллиптическое уплотнение 140 описано в контексте компрессора 110, его можно применять в ротационной машине 100 любого типа, включая паровые турбины, газовые турбины и подобные устройства.

[0117] Эллиптическое уплотнение 140 может содержать выдвижное уплотнительное кольцо 150, расположенное внутри паза 160 корпуса 130 статора. Уплотнительное кольцо 150 может иметь по существу двутавровый профиль, хотя можно использовать и другие конфигурации кольца. Уплотнительное кольцо 150 может иметь истираемое покрытие 170, обращенное к ротору 120. Истираемое покрытие 170 может содержать сплав кобальта, никеля, хрома, алюминия, иттрия, гексагонального нитрида бора и полимеров, например полиэфиров, полиимиды или им подобные. В альтернативном варианте истираемое покрытие 170 может содержать никель, хром, алюминий и глину (бентонит). Также истираемое покрытие 170 может содержать никель, графит и нержавеющую сталь. Истираемое покрытие 170 может также содержать никель, хром, железо, алюминий, бор и азот. Также истираемое покрытие 170 может содержать неметаллические материалы (например, политетрафторэтилен, нанесенный в процессе электростатического распыления порошка, или синтетическую слюду, заполненную политетрафторэтиленом, наносимую с помощью механического устройства). В истираемом покрытии 170 можно использовать любой желаемый материал в любом желаемом количестве, любой формы и/или ориентации.

[0118] Между уплотнительным кольцом 150 и корпусом 130 статора могут быть расположены поджимающие элементы 180, например пружины 190. Поджимающие элементы 180 могут представлять собой пластинчатые пружины, винтовые пружины, цилиндрические пружины, гидравлические пружины, пневматические пружины, уложенные друг на друга шайбы и тому подобное. Поджимающие элементы 180 могут быть выполнены с возможностью поджатия уплотнительного кольца 150 в направлении ротора 120. В данном примере поджимающие элементы 180 могут быть расположены в местах, соответствующих примерно 12 и 6 часам воображаемого циферблата. Можно использовать и другие местоположения указанных элементов. Могут быть применены поджимающие элементы 180 любого типа или в любом количестве. Также можно использовать другие конфигурации и компоненты.

[0119] Кроме того, ротор 120 может иметь зубцы 200, проходящие в направлении эллиптического уплотнения 140. Зубцы 200 могут быть выполнены в виде J-образных полос 210, расположенных внутри пазов 220 ротора 120. J-образные полосы 210 могут удерживаться на месте в пазах 220 ротора с помощью проволоки 230 или соединительных средств другого типа. J-образные полосы 210 могут быть изготовлены из нержавеющей стали или других видов по существу жестких материалов. Некоторые или все J-образные полосы 210 могут контактировать с истираемым покрытием 170 ротора 120. J-образные полосы 210 могут быть выполнены с возможностью отсоединения от ротора 120 для замены в случае повреждения или износа в результате взаимодействия с истираемым покрытием 170 ротора. Можно использовать другие конфигурации и компоненты.

[0120] На фиг.3 изображена осевая проекция эллиптического уплотнения 140. Как показано, эллиптическое уплотнение 140 может иметь по существу эллиптическую форму 240. В частности, эллиптическая форма 240 может быть по существу образована уплотнительным кольцом 150 с истираемым покрытием 170. Под словом «эллиптический» также подразумеваются разные виды гиперболоида, параболоида и иные виды подобных форм. Можно применять и другие конфигурации. Изображенное эллиптическое уплотнение 140 расположено вокруг ротора 120. Горизонтальная стрелка 250 обозначает главную ось уплотнения, которая по существу совпадает с наружным диаметром ротора 120 и выступающими зубцами 200 или J-образными полосами 210. Можно применять и другие конфигурации.

[0121] Кроме того, эллиптическое уплотнение 140 может состоять из сегментов 260. В данном примере уплотнение 140 может иметь только два (2) сегмента 260, а именно первую половину 270 и вторую половину 280. Можно использовать любое количество сегментов 260. Только благодаря использованию двух половин 270 и 280 никакая дополнительная протечка на концевом зазоре не сможет происходить в уплотнении 140. Аналогичным образом, использование поджимающих элементов 180 в месте, соответствующем примерно 12 часам (показано вертикальными стрелками 290), и в месте, соответствующем примерно 6 часам воображаемого циферблата, обеспечивает по существу поджатие половин 270 и 280 по направлению к центру и к ротору 120 для обеспечения контакта с последним. Рабочие давления также могут обеспечить дополнительное уплотняющее усилие.

[0122] Использование эллиптической формы 240 позволяет обеспечить взаимодействие 300 с задеванием между истираемым покрытием 170 уплотнения 140 и J-образными полосами 210 ротора 120. В частности, поджимающие элементы 180 обеспечивают более глубокое взаимодействие 300 с задеванием в местах, соответствующих примерно 6 и 12 часам воображаемого циферблата, при этом обеспечивая взаимодействие 310 впритык в местах, соответствующих примерно 3 и 9 часам воображаемого циферблата. Таким образом, уплотнение 140 работает как кольцевое уплотнение с улучшенным радиальным взаимодействием. Аналогичным образом, никакая дополнительная протечка в концевом зазоре не может происходить в эллиптическом уплотнении 140 при условии использования минимального количества сегментов 260, а именно первой половины 270 и второй половины 280. Такое уменьшение потоков протечки должно увеличить общий к.п.д. компрессора и ротационной машины благодаря комбинированному использованию эллиптической формы 240, поджимающих элементов 180 и/или истираемого покрытия 170.

[0123] Следует понимать, что все вышеописанное относится лишь к некоторым вариантам выполнения данной заявки и что специалисты могут выполнить многочисленные изменения и модификации, не выходящие за рамки объема и сущности изобретения, определенных в прилагаемой формуле изобретения и их эквивалентах.

1. Эллиптическое уплотнение (140) для использования с ротором (120) и корпусом (130) статора ротационной машины (100), содержащее:уплотнительные сегменты (260), на каждом из которых выполнено истираемое покрытие (170) и которые вместе с истираемым покрытием (170) имеют по существу эллиптическую форму (240), иподжимающие элементы (180), взаимодействующие с указанными уплотнительными сегментами (260) и корпусом (130) статора.

2. Эллиптическое уплотнение (140) по п.1, в котором указанные уплотнительные сегменты (260) представляют собой уплотнительное кольцо (150).

3. Эллиптическое уплотнение (140) по п.1, в котором указанные уплотнительные сегменты (260) содержат первую половину (270) и вторую половину (280).

4. Эллиптическое уплотнение (140) по п.1, в котором ротор (120) содержит выполненные на нем зубцы (200), которые взаимодействуют с истираемым покрытием (170) уплотнительных сегментов (260).

5. Эллиптическое уплотнение (140) по п.4, в котором зубцы (200) содержат J-образные полосы (210), которые взаимодействуют с истираемым покрытием (170) уплотнительных сегментов (260).

6. Эллиптическое уплотнение (140) по п.1, в котором поджимающие элементы (180) расположены в местах, соответствующих примерно 12 и 6 часам воображаемого циферблата, для поджатия уплотнительных сегментов (260) по направлению к ротору (120).

7. Эллиптическое уплотнение (140) по п.1, в котором поджимающие элементы (180) представляют собой пружины (190) для поджатия уплотнительных сегментов (260) по направлению к ротору (120).

8. Эллиптическое уплотнение (140) по п.1, в котором уплотнительные сегменты (260) с истираемым покрытием (170) выполнены с обеспечением взаимодействия (300) с ротором (120) с задеванием в местах, соответствующих примерно 12 и 6 часам воображаемого часового циферблата.

9. Эллиптическое уплотнение (140) по п.1, в котором уплотнительные сегменты (260) с истираемым покрытием (170) выполнены с обеспечением взаимодействия (310) с ротором (120) впритык в местах, соответствующих примерно 3 и 9 часам воображаемого циферблата.

10. Эллиптическое уплотнение (140) по п.1, в котором уплотнительные сегменты (260) с истираемым покрытием (170) имеют главную ось (250) уплотнения, примерно соответствующую наружному диаметру ротора (120) с расположенными на нем зубцами (200).

11. Эллиптическое уплотнение (140) по п.1, в котором ротационная машина (100) представляет собой компрессор (110).