Уплотнитель радиального зазора турбомашины
Изобретение относится к уплотнителю радиального зазора турбомашины, который содержит основание 1 и сотовый блок 2 с четырехгранными ячейками. Сотовый блок размещен на основании и образует дросселирующий зазор с гребнем ротора 3. Сотовый блок 2 с четырехгранными ячейками содержит поперечный ряд 4 одинаковых четырехгранных ромбических ячеек. Ряд 4 четырехгранных ромбических ячеек и большие диагонали оснований четырехгранных ромбических ячеек параллельны гребню ротора 3. К крайнему ряду четырехгранных ячеек примыкает ряд 5 трехгранных ячеек, у которых две стенки образованы стенками двух последовательных четырехгранных ячеек, а третья стенка является частью плоского кольцевого сектора 6. К ряду одинаковых четырехгранных ромбических ячеек 4 примыкает поперечный ряд четырехгранных дельтоидных ячеек 7, у которых две большие стенки образованы стенками двух последовательных четырехгранных ромбических ячеек, а две малые стенки образуют большие стенки двух последовательных ячеек следующего прилегающего ряда четырехгранных дельтоидных ячеек 8. Меньшие стенки последних образуют большие стенки двух последовательных ячеек очередного прилегающего ряда 9 четырехгранных дельтоидных ячеек. Малые диагонали оснований четырехгранных ромбических и дельтоидных ячеек связаны соотношением геометрической прогрессии. Технический результат изобретения заключается в увеличении периода эксплуатации турбомашины с допустимыми значениями КПД и снижении затрат на эксплуатацию и ремонт сотовых уплотнений. 4 з.п. ф-лы, 5 ил.
Изобретение относится к сотовым уплотнениям турбомашин и может быть использовано для повышения их надежности.
Известен уплотнитель радиального зазора турбомашины, содержащий основание и сотовый блок шестигранных ячеек. Сотовый блок размещен на основании и образует дросселирующий зазор с гребнем ротора. См. патент US 10184346 В2: Seal, method for producing a seal and turbomachine, МПК F01D 11/02, опубликован 22.01 2019. Сотовый блок выполнен с краевой зоной в виде множества углублений в стенках ячеек. В местах углублений стенки ячеек имеют минимальную толщину, отличную от остальной части сотового блока. Краевая зона обращена к радиальному зазору, а ее поверхность прирабатывается по гребню ротора с образованием дросселирующего зазора. Множество углублений в стенках ячеек краевой зоны уменьшают площадь контакта стенок с гребнем ротора, что сокращает размеры и массу продуктов приработки. Пространство краевой зоны может быть адаптировано к пространству, занимаемому гребнем ротора, на эксплуатационных режимах работы турбомашины. При этом границы краевой зоны изменяются в радиальном и осевом направлениях. Сотовый блок шестигранных ячеек формируется послойно генерирующими или аддитивными методами из свободно формируемого материала.
Известной конструкции присущи недостатки. В процессе приработки стенки ячеек, параллельные или перпендикулярные гребню ротора, стачиваются не полностью. Под действием осевых перемещений и вибраций ротора частично сточенные стенки подвергаются усталостному разрушению с образованием трещин и выбросом осколков. Осколки переносятся потоком рабочей среды к другим уплотнителям, вызывая дополнительны разрушения. Приработка краевой зоны сотового блока получается неравномерной. КПД и надежность уплотнения снижаются.
В качестве прототипа принят уплотнитель радиального зазора турбомашины, содержащий основание и сотовый блок с ячейками различной формы. В частности, сотовый блок содержит ряд, образованный чередующимися шестигранных и четырехгранными ячейками. См. патент US 20090041610: Gas turbine honeycomb seal, МПК F01D 11/12, опубликован 12.02.2009. Сотовый блок расположен на основании и образует дросселирующий зазор с гребнем ротора. Поверхность сотового блока, обращенная к радиальному зазору, прирабатывается по гребню ротора с образованием дросселирующего зазора. Сотовый блок формируется посредством порошкового литья под давлением.
Конструкция прототипа не учитывает влияние формы и расположения ячеек на особенности приработки поверхности сотового блока по гребню ротора. Для исполнения с рядами чередующихся шестигранных и четырехгранных ячеек, присущи недостатки аналога - в процессе приработки стенки ячеек, параллельные или перпендикулярные гребню ротора, стачиваются не полностью и разрушаются с выбросом осколков под действием осевых перемещений и вибраций ротора.
Опыт эксплуатации сотовых уплотнений показывает, что в процессе приработки поверхности сотового блока по гребню ротора наблюдаются следующие эффекты:
- стачивание стенок ячеек с образованием мелких частиц;
- смятие и/или загибание стенок ячеек;
- образование трещин в стенках ячеек, параллельных и/или перпендикулярных гребню ротора, с последующим их разрушением и выбросом осколков;
- разрушение сотовых блоков осколками стенок ячеек, переносимыми потоком рабочей среды.
Стачивание, смятие и загибание стенок ячеек обеспечивают образование минимального дросселирующего зазора при минимальных размерах и массе продуктов приработки. Образование трещин и осколков являются недопустимыми отклонениями процесса приработки, которые могут стать причиной прогрессирующего разрушения уплотнителей радиального зазора турбомашины, снижения КПД и надежности.
Задача, решаемая изобретением, - обеспечение приработки поверхности сотового блока по гребню ротора посредством стачивания, смятия и загибания стенок ячеек с образованием минимального дросселирующего зазора при минимальных размерах и массе продуктов приработки.
Технический результат от использования изобретения заключается в увеличении периода эксплуатации турбомашины с допустимыми значениями КПД.
Изобретение может быть реализовано в несколько исполнениях.
1-е исполнение
Уплотнитель радиального зазора турбомашины содержит основание и сотовый блок с четырехгранными ячейками. Сотовый блок расположен на основании и образует дросселирующий зазор с гребнем ротора.
Для решения поставленной задачи сотовый блок содержит, по меньшей мере, один ряд одинаковых четырехгранных ромбических ячеек. Ряд одинаковых четырехгранных ромбических ячеек и большие диагонали оснований четырехгранных ромбических ячеек параллельны гребню ротора.
В таком исполнении все стенки четырехгранных ромбических ячеек образуют одинаковый острый угол с гребнем ротора. Приработка стенок четырехгранных ромбических ячеек по гребню ротора производится под постоянным острым углом, при минимальном изменении сил на поверхностях контакта. Конструкция обеспечивает равномерную приработку поверхности сотового блока по гребню ротора посредством стачивания, смятия и загибания стенок ячеек с образованием минимального дросселирующего зазора при минимальных размерах и массе продуктов приработки.
2-е исполнение
Уплотнитель радиального зазора турбомашины в 1-м исполнении, отличающийся тем, что в сотовом блоке к крайнему ряду четырехгранных ячеек прилегает ряд трехгранных ячеек, у которых две стенки образованы стенками двух последовательных четырехгранных ячеек, а третья стенка является частью кольцевого сектора.
Ряд трехгранных ячеек увеличивает осевую и поперечную жесткость сотового блока, снижает его вибрацию и способствует формированию минимального дросселирующего зазора.
3-е исполнение
Уплотнитель радиального зазора турбомашины в исполнении 1 или 2, отличающийся тем, что в сотовом блоке к ряду одинаковых четырехгранных ромбических ячеек прилегает ряд четырехгранных дельтоидных ячеек, у которых две большие стенки образованы стенками двух последовательных четырехгранных ромбических ячеек, а две малые стенки образуют большие стенки двух последовательных ячеек следующего прилегающего ряда четырехгранных дельтоидных ячеек. Меньшие стенки последних образуют большие стенки двух последовательных ячеек очередного прилегающего ряда четырехгранных дельтоидных ячеек.
В этом исполнении приработка стенок ячеек производится с уменьшением угла наклона стенок к гребню ротора и ширины ячеек в направлении, перпендикулярном гребню ротора. Плотность блока ячеек возрастает по мере увеличения периода эксплуатации уплотнителя, что позволяет продлить работу турбомашины с допустимым КПД.
4-е исполнение
Уплотнитель радиального зазора турбомашины в исполнении 3, отличающийся тем, что в сотовом блоке малые диагонали оснований четырехгранных ромбических и дельтоидных ячеек связаны соотношением убывающей арифметической прогрессии:
где аn - малая диагональ основания четырехгранной ячейки n-го ряда; n - номер ряда четырехгранных ячеек; индекс «1» - номер ряда четырехгранных ромбических ячеек; 2, 3…, m - номера рядов четырехгранных дельтоидных ячеек.
Соотношение (1) получено из формулы n-го члена убывающей арифметической прогрессии для разности:
которая связывает малую диагональ основания четырехгранной ромбической ячейки с малой диагональю основания четырехгранной дельтоидной ячейки m-го ряда.
Связь (1) малых диагоналей оснований четырехгранных ячеек соотношением убывающей арифметической прогрессии обеспечивает последовательное уменьшение угла наклона стенок ячеек к гребню ротора и последовательное увеличение плотности ячеек в процессе приработки, стабилизацию сил стачивания на поверхности контакта и образование минимального уплотнительного зазора.
5-е исполнение
Уплотнитель радиального зазора турбомашины в 3-м исполнении, отличающийся тем, что в сотовом блоке малые диагонали оснований четырехгранных ромбических и дельтоидных ячеек связаны соотношением убывающей геометрической прогрессии:
где аn - малая диагональ оснований четырехгранных ячеек n-го ряда; n - номер ряда четырехгранных ячеек; индекс «1» - номер ряда четырехгранных ромбических ячеек; 2, 3 …, m - номера рядов четырехгранных дельтоидных ячеек.
Соотношение (2) получено из формулы n-го члена убывающей геометрической прогрессии для знаменателя:
который связывает малую диагональ основания четырехгранной ромбической ячейки с малой диагональю основания четырехгранной дельтоидной ячейки m-го ряда.
Связь (2) малых диагоналей оснований четырехгранных ячеек соотношением убывающей геометрической прогрессии обеспечивает последовательное уменьшение угла наклона стенок ячеек к гребню ротора и последовательное увеличение плотности ячеек в процессе приработки, стабилизацию сил стачивания на поверхности контакта и образование минимального уплотнительного зазора. При одинаковом числе рядов и одинаковых рядах четырехгранных ромбических ячеек ширина сотового блока в исполнении 5 меньше, чем в исполнении 4.
На фиг. 1 представлен общий вид предпочтительной конструкции уплотнителя радиального зазора турбомашины в исполнении 5. На фиг. 2-5 - структуры сотовых блоков в исполнениях 1-5.
Уплотнитель радиального зазора турбомашины, содержит основание 1 и сотовый блок 2 с четырехгранными ячейками. Сотовый блок размещен на основании и образует дросселирующий зазор с гребнем ротора 3. Сотовый блок 2 с четырехгранными ячейками содержит ряд 4 одинаковых четырехгранных ромбических ячеек. Ряд одинаковых четырехгранных ромбических ячеек и большие диагонали оснований четырехгранных ромбических ячеек параллельны гребню ротора 3. К крайнему ряду четырехгранных ячеек прилегает ряд 5 трехгранных ячеек, у которых две стенки образованы стенками двух последовательных четырехгранных ячеек, а третья стенка является частью плоского кольцевого сектора 6. К ряду четырехгранных ромбических ячеек 4 прилегает ряд четырехгранных дельтоидных ячеек 7, у которых две большие стенки образованы стенками двух последовательных четырехгранных ромбических ячеек, а две малые стенки образуют большие стенки двух последовательных ячеек следующего прилегающего ряда четырехгранных дельтоидных ячеек 8. Меньшие стенки последних образуют большие стенки двух последовательных ячеек очередного прилегающего ряда 9 четырехгранных дельтоидных ячеек. Малые диагонали оснований четырехгранных ромбических и дельтоидных ячеек связаны соотношением (2) геометрической прогрессии.
На фиг. 2 представлена структура блока ячеек исполнения 1, который полностью сформирован рядами одинаковых четырехгранных ромбических ячеек. Ряды четырехгранных ромбических ячеек и большие диагонали оснований четырехгранных ромбических ячеек параллельны гребню ротора.
На фиг. 3 представлен блок ячеек исполнения 2, который сформирован рядами одинаковых четырехгранных ромбических ячеек. К крайнему поперечному ряду 4 четырехгранных ячеек прилегает поперечный ряд 5 трехгранных ячеек, у которых две стенки образованы стенками двух последовательных четырехгранных ячеек, а третья стенка является частью плоского кольцевого сектора 6.
На фиг. 4 представлен блок ячеек исполнений 3, 4. К ряду одинаковых четырехгранных ромбических ячеек 4 прилегает ряд четырехгранных дельтоидных ячеек 7, у которых две большие стенки образованы стенками двух последовательных четырехгранных ромбических ячеек, а две малые стенки образуют большие стенки двух последовательных ячеек следующего прилегающего ряда четырехгранных дельтоидных ячеек 8. Меньшие стенки последних образуют большие стенки двух последовательных ячеек очередного прилегающего ряда 9 четырехгранных дельтоидных ячеек. В исполнении 4 малые диагонали оснований четырехгранных ромбических и дельтоидных ячеек связаны соотношением (1) убывающей арифметической прогрессии.
Уплотнители радиального зазора турбомашины в исполнениях 1-2, содержащие четырехгранные ромбические ячейки, наиболее технологичны для реализации в производстве. В ряде случаев их использование может оказаться достаточным для решения поставленной задачи.
Уплотнитель радиального зазора турбомашины применяется следующим образом. Уплотнитель устанавливается в корпус турбомашины так, чтобы ряд четырехгранных ромбических ячеек находился под гребнем ротора. Приработка ячеек по гребню ротора начинается со стенок четырехгранных ромбических ячеек. Приработка стенок четырехгранных ромбических ячеек производится под постоянным острым углом к гребню ротора, при минимальном изменении сил на поверхности контакта, что обеспечивает равномерную приработку посредством стачивания, смятия и загибания стенок ячеек с образованием дросселирующего зазора при минимальных размерах и массе продуктов приработки. С увеличением периода эксплуатации увеличивается пространство, занимаемое гребнем ротора, и приработке подвергаются четырехгранные дельтоидные ячейки. С расширением приработанной зоны уменьшается угол наклона стенок ячеек к гребню ротора и увеличивается плотность четырехгранных дельтоидных ячеек, что способствует сохранению КПД в допустимых пределах.
Производство уплотнителя радиального зазора турбомашины реализовано в условиях металлообрабатывающего завода. Промышленная применимость подтверждена стендовыми испытаниями.
1. Уплотнитель радиального зазора турбомашины, содержащий основание и сотовый блок с четырехгранными ячейками, сотовый блок расположен на основании и образует дросселирующий зазор с гребнем ротора, отличающийся тем, что сотовый блок содержит, по меньшей мере, один ряд одинаковых четырехгранных ромбических ячеек, ряд одинаковых четырехгранных ромбических ячеек и большие диагонали оснований четырехгранных ромбических ячеек параллельны гребню ротора.
2. Уплотнитель радиального зазора турбомашины по п. 1, отличающийся тем, что в сотовом блоке к крайнему ряду четырехгранных ячеек прилегает ряд трехгранных ячеек, у которых две стенки образованы стенками двух последовательных четырехгранных ячеек, а третья стенка является частью плоского кольцевого сектора.
3. Уплотнитель радиального зазора турбомашины по одному из пп. 1, 2, отличающийся тем, что в сотовом блоке к ряду четырехгранных ромбических ячеек прилегает ряд четырехгранных дельтоидных ячеек, у которых две большие стенки образованы стенками двух последовательных четырехгранных ромбических ячеек, а две малые стенки образуют большие стенки двух последовательных ячеек следующего прилегающего ряда четырехгранных дельтоидных ячеек, меньшие стенки последних образуют большие стенки двух последовательных ячеек очередного прилегающего ряда четырехгранных дельтоидных ячеек.
4. Уплотнитель радиального зазора турбомашины по п. 3, отличающийся тем, что в сотовом блоке малые диагонали оснований четырехгранных ромбических и дельтоидных ячеек связаны соотношением убывающей арифметической прогрессии:
где аn - малая диагональ основания четырехгранных ячеек n-го ряда; n - номер ряда четырехгранных ячеек; индекс «1» - номер ряда четырехгранных ромбических ячеек; 2, 3…, m - номера рядов четырехгранных дельтоидных ячеек.
5. Уплотнитель радиального зазора турбомашины по п. 3, отличающийся тем, что в сотовом блоке малые диагонали оснований четырехгранных ромбических и дельтоидных ячеек связаны соотношением убывающей геометрической прогрессии:
где аn - малая диагональ оснований четырехгранных ячеек n-го ряда; n - номер ряда четырехгранных ячеек; индекс «1» - номер ряда четырехгранных ромбических ячеек; 2, 3…, m - номера рядов четырехгранных дельтоидных ячеек.
