Сотовый сальник и способ его изготовления

Сальник для турбомашины содержит множество сотовых ячеек, по меньшей мере одну круговую канавку внутри множества сотовых ячеек и по меньшей мере одно средство уменьшения завихрений, расположенное в указанной по меньшей мере одной канавке. Технический результат изобретения – улучшение уплотнения, улучшение стабилизации ротора, уменьшение перекрестной связи и повышение к.п.д. турбомашины.3 н. и 7 з.п. ф-лы, 11 ил.

 

[0001] Изобретение относится к сальникам, в частности к сотовым сальникам для турбомашин.

[0002] Компрессор представляет собой машину, ускоряющую частицы газа для максимального повышения давления сжимаемой текучей среды, например технологического газа, посредством использования механической энергии. Компрессоры обычно используются в энергетической промышленности для получения, обработки, повторной закачки и транспортировки газов различного типа. Среди типов компрессоров известны так называемые центробежные компрессоры, в которых установленная на роторе крыльчатка сообщает технологическому газу центробежное ускорение. Вообще центробежные компрессоры можно считать частью класса механического оборудования, известного как «турбомашины» или «турбинные вращательные машины».

[0003] Высокоскоростным вращательным центробежным компрессорам может быть присуща динамическая нестабильность ротора. Сальники таких компрессоров являются основным источником возникновения дестабилизирующих сил, вызывающих нестабильность. Это особенно характерно для компрессоров, работающих с газами высокой плотности под высоким давлением, как при повторной закачке природного газа. В результате сальник или сальники могут препятствовать работе компрессора на полной скорости и с полной нагрузкой. В более тяжелых случаях действующие на ротор дестабилизирующие силы, создаваемые сальником или сальниками, могут вызвать катастрофический отказ, требующий остановки машины и дорогостоящего ремонта.

[0004] Известны сальники, в частности сотовые сальники, служащие не только для уплотнения сравнительно экономичным образом, но и для демпфирования с целью противодействия дестабилизирующим силам. Такие сотовые сальники часто применяются в центробежных компрессорах для повышения динамической стабильности ротора.

[0005] Как показано на фиг.11, сотовый сальник 514 может иметь корпус 516 с множеством сотовых ячеек 518. Во время работы сотовые ячейки препятствуют проникновению текучей среды через зазор между корпусом сальника и ротором, обеспечивая как уплотнение, так и стабилизацию ротора. Было установлено, что, к сожалению, при определенных условиях и определенных конфигурациях сотовый сальник может придавать роторному блоку нежелательную отрицательную жесткость и дестабилизировать его (жесткость перекрестных связей). Для устранения этих явлений было предложено выполнить канавку, такую как канавка 522 на фиг.11, для разделения сотового сальника и тем самым предотвращения дестабилизирующего эффекта отрицательной жесткости. Такая канавка описана в статье "A Design to Increase the Static Stiffness of Hole Pattern Stator Gas Seals" авторов Child и др., ASME Turbo Expo 2006; Power for Land, Sea and Air, May 8-11, 2006, GT2006-90778, содержание которой включено в данное описание.

[0006] Также считается, что завихрения технологических текучих сред, возникающие при вращении вала ротора, могут быть причиной возникновения перекрестной связи. Для предотвращения завихрений было предложено установить в корпус компрессора лопатку или несколько лопаток для направления текучей среды противоположно направлению завихрений. Кроме того, было предложено установить на валу ротора еще один сальник для уменьшения завихрений (см., например, патент США №5540447, 30.07.96, содержание которого включено в данное описание).

[0007] Установка лопатки или лопаток и/или дополнительного сальника на вал ротора турбины усложняет конструкцию и увеличивает вращающуюся массу, что не позволяет повысить к.п.д. компрессора. Желательно иметь сальник для турбомашины, обеспечивающий лучшее уплотнение и лучшую стабилизацию, уменьшение перекрестной связи и повышение к.п.д. машины.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ НАСТОЯЩЕГО ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0008] Согласно варианту осуществления изобретения предложен сальник для турбомашины, содержащий множество сотовых ячеек, по меньшей мере одну круговую канавку внутри указанного множества сотовых ячеек и по меньшей мере одно средство уменьшения завихрений, расположенное в этой канавке.

[0009] Согласно другому варианту осуществления изобретения предложена турбомашина, содержащая статор, ротор, вращающийся относительно него, и сальник, расположенный между статором и ротором и содержащий множество сотовых ячеек, канавку, расположенную внутри этого множества сотовых ячеек, и по меньшей мере одно средство уменьшения завихрений, расположенное в этой канавке.

[0010] Согласно еще одному варианту осуществления изобретения предложен способ изготовления сальника для турбомашины, включающий образование канавки в корпусе сальника, образование в корпусе сальника множества сотовых ячеек и создание в канавке по меньшей мере одного средства уменьшения завихрений.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

[0011] Прилагаемые чертежи, являющиеся частью данного описания, иллюстрируют один или несколько вариантов осуществления изобретения и вместе с описанием поясняют их. На чертежах:

[0012] фиг.1 изображает вариант осуществления изобретения,

[0013] фиг.2 - часть фиг.1 в разрезе по линии 2-2,

[0014] фиг.3 - множество сотовых ячеек,

[0015] фиг.4 - разрез по линии 4-4 на фиг.2,

[0016] фиг.5 - разрез по линии A-A части фиг.4, на котором видно коническое средство уменьшения завихрений согласно варианту осуществления изобретения,

[0017] фиг.6 - канавку с боковыми стенками, множество сотовых ячеек и средство уменьшения завихрений согласно варианту осуществления изобретения,

[0018] фиг.7 - канавку, множество сотовых ячеек и средство уменьшения завихрений согласно варианту осуществления изобретения,

[0019] фиг.8 - вариант осуществления изобретения с множеством канавок, и

[0020] фиг.9 - вариант осуществления изобретения, в котором сотовые ячейки образованы путем электроэрозионной обработки,

[0021] фиг.10 - операции способа согласно варианту осуществления изобретения и

[0022] фиг.11 - сотовый сальник с канавкой согласно варианту осуществления изобретения.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ПРИМЕРОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0023] Ниже со ссылками на чертежи описаны в качестве примеров варианты осуществления изобретения. На чертежах одинаковые или аналогичные элементы обозначены одинаковыми цифровыми позициями. Данное описание не ограничивает изобретение, объем которого определяется прилагаемой формулой. Представленные варианты описаны применительно к турбомашине, имеющей статор и ротор. Однако эти варианты не ограничиваются применением в турбомашине и могут использоваться в других системах.

[0024] Выражения «один вариант осуществления изобретения» или «вариант осуществления изобретения» означают, что данная особенность, конструкция или характеристика, описанная в этом варианте, относится по меньшей мере к одному варианту осуществления изобретения. То есть, выражения «в одном варианте осуществления изобретения» или «в варианте осуществления изобретения», встречающиеся в разных местах данного описания, не обязательно относятся к одному и тому же варианту. Кроме того, особенности, конструкции или характеристики могут сочетаться любым образом в одном или нескольких вариантах.

[0025] На фиг.1-4 показан вариант выполнения сотового сальника 14 для турбомашины 10, согласно изобретению. На фиг.1 изображена турбомашина 10, имеющая статор 12 и ротор 22. Как видно на фиг.2, сотовый сальник 14, расположенный между статором 12 и ротором 22 машины, имеет корпус 16, окружающий ротор 22. Зазор 17 (фиг.4) между сотовыми ячейками 26 и ротором 22 служит для просачивания текучей среды к вращающемуся блоку компрессора, а также для его демпфирования.

[0026] Кроме того, на фиг.2 видно, что внутри множества сотовых ячеек 26 расположена канавка 28, проходящая по окружности вокруг оси 24 ротора. В варианте осуществления изобретения, показанном на фиг.1-4, канавка 28 снабжена по меньшей мере одним средством уменьшения завихрений, служащим для противодействия круговому движению технологического газа, проходящего в осевом направлении между ротором 22 и корпусом 16 сальника. Как показано на фиг.2 и 4, по меньшей мере одно средство уменьшения завихрений образовано множеством лопаток 32 внутри канавки 28. Каждая лопатка 32 проходит в осевом направлении между первой боковой стенкой 34 и второй боковой стенкой 36 канавки 28.

[0027] Как видно на фиг.2 и 4, каждая лопатка 32 проходит от дна 48 канавки до ее верхней части 56. Лопатки 32 расположены с равными промежутками по окружности корпуса 16 сальника и имеют постоянную толщину. В альтернативных вариантах (не показаны) лопатки 32 могут быть расположены по окружности канавки 28 на разных расстояниях друг от друга и может изменяться толщина отдельных лопаток или всех лопаток 32. Например, по меньшей мере одна лопатка 32 может сужаться в радиальном направлении между дном 48 и верхней частью 56 канавки. Канавка может сужаться также в осевом направлении, как показано на фиг.5, где по меньшей мере одна лопатка 32 сужается от конца 23 корпуса 16, который расположен ниже по ходу газа, к его концу 21, расположенному выше по ходу газа. В альтернативном варианте лопатка 32 может сужаться от конца 21 корпуса 16 к его концу 23.

[0028] Согласно варианту осуществления изобретения, показанному на фиг.2 и 4, верхняя часть 56 канавки, верхняя поверхность множества сотовых ячеек 26 и верхняя поверхность каждой лопатки 32 определяют цилиндр, имеющий общую ось и диаметр, тем самым образуя по меньшей мере часть корпуса 16 сальника со сквозным отверстием постоянного диаметра. Однако в других вариантах (не показаны) верхняя часть 56 канавки, верхняя поверхность сотовых ячеек 26 и верхняя поверхность каждой лопатки 32 могут быть расположены по-другому. Например, верхняя поверхность сотовых ячеек 26 может определять цилиндр с диаметром, не равным диаметру цилиндра, определяемого верхними поверхностями лопаток 32. Как показано на фиг.2 и 4, глубина 42 канавки 28 больше высоты 38 сотовых ячеек 26. Высота 44 каждой лопатки 32 тоже больше высоты 38 сотовых ячеек 26. Специалистам должно быть понятно, что такие конфигурации канавки 28, сотовых ячеек 26 и лопаток 32 не являются обязательными и описаны лишь в качестве примера.

[0029] Как показано на фиг.2,4 и 6, канавка 28 имеет первую боковую стенку 34 и вторую боковую стенку 36, образующие одинаковые параллельные круговые дорожки вокруг корпуса 16 сальника. Как видно на фиг.6, обе боковые стенки 34 и 36 отделены от целых сотовых ячеек 58 граничной зоной 59 постоянной ширины 60.

[0030] В альтернативном варианте осуществления изобретения корпус сальника может не иметь указанной граничной зоны. Например, на фиг.7 показано, что обе боковые стенки 134 и 136 примыкают к неполным сотовым ячейкам 158. Кроме того, как видно на фиг.7, лопатки 132 могут иметь постоянную толщину, равную половине ширины сотовой ячейки, т.е. половине расстояния между двумя параллельными сторонами сотовой ячейки.

[0031] На фиг.8 показан другой вариант выполнения корпуса 316 сальника, имеющего первую канавку 328 и вторую канавку 330, каждая из которых находится внутри множества сотовых ячеек 326. Первая канавка 328 и вторая канавка 330 содержат средство уменьшения завихрений в виде множества лопаток 332.

[0032] Как показано на фиг.1-8, множество сотовых ячеек 26, канавка 28, расположенная внутри множества сотовых ячеек, и средство уменьшения завихрений, например лопатки 32, расположенные в канавке 28, могут иметь конфигурацию, обеспечивающую уплотнение, стабилизацию вала ротора и предотвращение завихрений в сальнике для турбомашины. Соответственно, сальник 14 создает лучшее уплотнение, уменьшает перекрестную связь и повышает к.п.д. турбомашины по сравнению с известными сальниками для турбомашин.

[0033] На фиг.9 показан еще один вариант осуществления изобретения, в котором корпус 416 сальника содержит множество сотовых ячеек 426, которые могут быть образованы посредством процесса электроэрозии. В этом процессе корпус 416 сальника закрепляют в исходном положении 430 и создают в нем первый ряд сотовых ячеек. Затем корпус 416 устанавливают в другое угловое положение и добавляют к первому ряду другой ряд сотовых ячеек. Эти операции с поворотом корпуса 416 вокруг оси продолжают до достижения конечного положения 440. По окончании процесса обработки может оставаться буферная область 450. Управление процессом изготовления в варианте, показанном на фиг.9, осуществляется таким образом, что в корпусе 416 сальника образуются только целые сотовые ячейки 426.

[0034] Согласно изобретению в способе изготовления корпуса 416 сальника сначала в корпусе 416 путем механической обработки создают канавку 28, показанную на фиг.5. Механическую обработку можно проводить так, что в ходе ее образуется множество лопаток 32. В частности, канавку 28 можно создавать отдельными участками, так что стенка между каждыми смежными участками образует лопатку 32. После образования канавки 28 и лопаток 32 путем электроэрозионной обработки создают множество сотовых ячеек 26, как описано выше со ссылкой на фиг.9, при этом между целыми сотовыми ячейками 26 и канавкой 28 образуется граничная зона 59 с шириной 60, равной ширине граничной зоны 470, образованной по окружности множества сотовых ячеек 426 (фиг.9).

[0035] На фиг.10 представлены операции способа 1000 изготовления сальника для турбомашины. Способ включает образование 1002 канавки в корпусе сальника, образование 1004 множества сотовых ячеек в корпусе сальника и создание 1006 в канавке по меньшей мере одного средства уменьшения завихрений. Эти операции могут выполняться в любом порядке или одновременно.

[0036] Описанные выше варианты представлены для иллюстрации изобретения и не ограничивают его объем, определяемый формулой изобретения. Конструктивные элементы и операции способа, указанные в описании, не являются обязательными для настоящего изобретения, если это не оговорено особо.

1. Сальник для турбомашины, содержащий:

множество сотовых ячеек,

по меньшей мере одну круговую канавку внутри указанного множества сотовых ячеек и

по меньшей мере одно средство уменьшения завихрений, расположенное в указанной по меньшей мере одной канавке.

2. Сальник по п.1, в котором указанная по меньшей мере одна канавка имеет первую боковую стенку, вторую боковую стенку, дно и верхнюю часть, причем указанное по меньшей мере одно средство уменьшения завихрений содержит множество лопаток, каждая из которых проходит между первой и второй боковыми стенками и от дна канавки к ее верхней части.

3. Сальник по п.2, в котором множество сотовых ячеек расположено на расстоянии от указанной по меньшей мере одной канавки.

4. Сальник по п.2, в котором множество сотовых ячеек включает множество неполных сотовых ячеек, прилегающих к первой и второй боковым стенкам указанной по меньшей мере одной канавки.

5. Сальник по п.2, в котором каждая лопатка сужается в радиальном и/или в осевом направлении.

6. Сальник по п.2, в котором каждая лопатка имеет постоянную толщину.

7. Сальник по п.6, в котором верхняя поверхность множества сотовых ячеек определяет первый цилиндр, а верхняя поверхность каждой из лопаток определяет второй цилиндр, причем первый цилиндр и второй цилиндр соосны друг другу и имеют одинаковый диаметр.

8. Сальник по п.7, в котором глубина указанной по меньшей мере одной канавки больше высоты ячейки указанного множества сотовых ячеек.

9. Турбомашина, содержащая:

статор,

ротор, вращающийся относительно статора, и

сальник, расположенный между статором и ротором,

причем сальник содержит множество сотовых ячеек, канавку, расположенную внутри множества сотовых ячеек, и по меньшей мере одно средство уменьшения завихрений, расположенное в канавке.

10. Способ изготовления сальника для турбомашины, включающий:

образование канавки в корпусе сальника,

образование в корпусе сальника множества сотовых ячеек и

создание в канавке по меньшей мере одного средства уменьшения завихрений.