уплотнительное устройство для герметизации щели между двумя соседними конструкционными элементами

Формула изобретения

1. Уплотнительное устройство для герметизации щели (3) между двумя соседними конструкционными элементами (1, 2) лопаточных машин, например между элементами теплозащитного экрана, или направляющими лопатками корпуса турбины или компрессора, или между элементами теплозащитного экрана, или роторными лопатками ротора турбины или компрессора, содержащее уплотнительное тело (7) из полосы (18), которая состоит из соответственно изогнутой пружинной стали, согнутой в поперечном сечении так, что две выполненные там контактные зоны (8) прилегают с натягом к двум противоположным уплотнительным поверхностям (9) конструкционных элементов (1, 2) и при уменьшении зазора между уплотнительными поверхностями (9) упругоподатливо подаются и что выполненная между контактными зонами (8) опорная зона (11) опирается перпендикулярно пружинящему движению на уступ (10), который выполнен на одном из конструкционных элементов ( 2) и отстоит от его уплотнительной поверхности (9) по отношению к уплотнительной поверхности (9) другого конструкционного элемента (1).

2. Уплотнительное устройство по п.1, отличающееся тем, что щель (3) соединяет между собой две камеры (4, 5) с разными давлениями, причем уплотнительное тело (7) опирается на ту сторону уступа (10), которая обращена к камере (4) с более высоким давлением.

3. Уплотнительное устройство по п.2, отличающееся тем, что уплотнительное тело (7) имеет односторонне открытый в сечении полый профиль (13), причем отверстие (14) профиля обращено к камере (4) с более высоким давлением.

4. Уплотнительное устройство по любому из пп.1-3, отличающееся тем, что обе уплотнительные поверхности (9) конструкционных элементов (1,2) выполнены плоскими и проходят параллельно друг другу, при этом обе контактные зоны (8) лежат на одной прямой, перпендикулярной уплотнительным поверхностям (9).

5. Уплотнительное устройство по любому из пп.1-4, отличающееся тем, что полоса (18) имеет С-образный профиль.

6. Уплотнительное устройство по любому из пп.1-4, отличающееся тем, что профиль полосы (18) имеет между двумя концевыми отрезками (15) U-образный средний отрезок (16) с опорной зоной (11), причем концевые отрезки (15) скруглены наружу и имеют контактные зоны (8).

7. Уплотнительное устройство по п.5, отличающееся тем, что на полосе (18) выполнены контактные тела (17), имеющие контактные зоны (8).

8. Уплотнительное устройство по любому из пп.1-7, отличающееся тем, что уступ (10) отстоит от соответствующей уплотнительной поверхности (9) настолько, что изгибная деформация уплотнительного тела (7) сохраняется в упругой зоне и тогда, когда уступ (10) за счет соответствующего относительного движения конструкционных элементов (1,2) прилегает к противоположному конструкционному элементу (1).

Описание изобретения к патенту

Область техники

Изобретение относится к уплотнительному устройству для герметизации щели между двумя соседними конструкционными элементами, в частности в лопаточных машинах.

Уровень техники

В лопаточных машинах, например турбине или компрессоре, часто множество отдельных конструкционных элементов закрепляют на корпусе или роторе. Эти конструкционные элементы представляют собой, как правило, направляющие лопатки, или роторные лопатки, или элементы теплозащитного экрана. Между соседними конструкционными элементами может быть при этом образована щель, через которую две камеры сообщаются между собой. Например, одна камера представляет собой ступень турбины, в которой горячий газ находится под первым давлением, тогда как в другой камере речь идет об охлаждающем канале, в котором охлаждающий газ находится под вторым давлением. В соответствии с этим щель необходимо газоплотно герметизировать и герметично под давлением, с тем чтобы, с одной стороны, избежать газообмена между обеими камерами, а с другой стороны, предотвратить падение давления в одной из камер. Для этой цели используют уплотнительное устройство описанного выше рода (DE 10064261 A1, 04.07.2002).

В частности, у лопаточных машин при герметизации щели возникает, кроме того, такая проблема, что соседние конструкционные элементы, между которыми образована герметизируемая щель, могут изменить свое положение по отношению друг к другу, например, вследствие явления теплового расширения. Изменение относительного положения между обоими конструкционными элементами вызывает, однако, изменение геометрии щели, что затрудняет ее герметизацию.

Изложение изобретения

Здесь помощь оказывает изобретение. В основу изобретения положена задача создания уплотнительного устройства описанного выше рода, в котором за счет формы выполнения уплотнения обеспечивалась бы достаточная герметизация щели даже тогда, когда конструкционные элементы, между которыми образована щель, изменяют свое положение по отношению друг к другу.

Поставленная задача решается тем, что уплотнительное устройство для герметизации щели между двумя соседними конструкционными элементами лопаточных машин, например, между элементами теплозащитного экрана, или направляющими лопатками корпуса турбины или компрессора, или между элементами теплозащитного экрана, или роторными лопатками ротора турбины или компрессора, согласно изобретению, содержит уплотнительное тело из полосы, которая состоит из соответственно изогнутой пружинной стали и в поперечном сечении так изогнута, что две выполненные там контактные зоны прилегают с натягом к двум противоположным уплотняемым поверхностям конструкционных элементов и при уменьшении зазора между уплотняемыми поверхностями упругоподатливо подаются и что выполненная между контактными зонами опорная зона опирается перпендикулярно пружинящему движению на уступе, который выполнен на одном из конструкционных элементов и отстоит от своей уплотняемой поверхности по отношению к уплотняемой поверхности другого конструкционного элемента.

В уплотнительном устройстве, согласно изобретению, щель соединяет между собой две камеры с разными давлениями, причем уплотнительное тело опирается на ту сторону ступа, которая обращена к камере с более высоким давлением.

Предпочтительно, когда уплотнительное тело имеет односторонне открытый в сечении полый профиль, причем отверстие профиля обращено к камере с более высоким давлением.

Не менее предпочтительно, что обе уплотнительные поверхности конструкционных элементов выполнены плоскими и проходят параллельно друг другу, при этом обе контактные зоны лежат на одной прямой, перпендикулярной уплотнительным поверхностям.

В уплотнительном устройстве, согласно изобретению, полоса имеет С-образный профиль.

В уплотнительном устройстве, согласно изобретению, альтернативно профиль полосы имеет между двумя концевыми отрезками U-образный средний отрезок с опорной зоной, причем концевые отрезки скруглены наружу и имеют контактные зоны.

Желательно на полосе выполнить контактные тела, имеющие контактные зоны. Рекомендуется, когда уступ отстоит от соответствующей уплотнительной поверхности настолько, что изгибная деформация уплотнительного тела сохраняется в упругой зоне и тогда, когда уступ за счет соответствующего относительного движения конструкционных элементов прилегает к противоположному конструкционному элементу.

Изобретение основано на общей идее зажатия уплотнительного тела упругоподатливого профиля между двумя выполненными в конструкционных элементах, противоположными друг другу уплотнительными поверхностями. Следствием этой конструкции является то, что уплотнительный профиль благодаря своей упругой податливости может повторять движения перемещения обоих конструкционных элементов по отношению друг к другу, увеличивающие или уменьшающие расстояние между обеими уплотнительными поверхностями, так что в относительно широком диапазоне перемещения может быть обеспечено достаточное уплотнительное действие.

Целесообразно, когда полоса, из которой посредством соответствующих гибочных процессов изготовляют уплотнительное тело нужного профиля, состоит из пружинной стали, согнутой соответствующим образом. За счет этого можно реализовать относительно высокие усилия натяжения, с помощью которых контактные зоны уплотнительного тела прилегают к уплотнительным поверхностям.

Далее предусмотрено, что уплотнительное тело перпендикулярно пружинящему движению его плотно прилегающих к уплотнительным поверхностям контактных зон опирается расположенной между его контактными зонами опорной зоной на уступ, идущий от одного из конструкционных элементов и входящих в щель. Этим достигается фиксация уплотнительного тела, которая при относительном перемещении обоих конструкционных элементов параллельно плоскости щели гарантирует возможность перемещения перемещаемой относительно уступа уплотнительной поверхности вдоль прилегающей к ней контактной зоны уплотнительного тела без уменьшения за счет этого уплотнительного действия.

Если щель соединяет между собой две камеры с разными давлениями, то уплотнительное тело опирается в соответствии с предпочтительной формой выполнения на ту сторону уступа, которая обращена к камере с более высоким давлением. В соответствии с этим уступ находится тогда на участке щели, сообщающемся с другой камерой, в которой господствует более низкое давление. Следствием этого устройства является то, что более высокое давление прижимает уплотнительное тело к уступу, так что оно фиксировано на уступе.

У особенно предпочтительного усовершенствования уплотнительное тело может иметь односторонне открытый в сечении полый профиль, причем тогда уплотнительное тело позиционировано в щели так, что отверстие профиля обращено к камере с более высоким давлением. За счет этих особенностей конструкции и расположения уплотнительного тела в полом профиле уплотнительного тела господствует более высокое давление, что дополнительно усиливает натяжение уплотнительного профиля.

Целесообразно, если обе уплотнительные поверхности конструкционных элементов могут быть выполнены плоскими и расположены параллельно друг другу, причем обе контактные зоны лежат на одной прямой, перпендикулярной уплотнительным поверхностям. За счет этого для возникающей при относительных движениям между конструкционными элементами передачи усилия конструкционных элементов на уплотнительное тело возникает симметрия, которая уменьшает опасность перекоса уплотнительного тела в щели.

Согласно одному усовершенствованию, на полосе, из которой образовано уплотнительное тело, могут быть выполнены контактные тела, содержащие контактные зоны, которыми уплотнительное тело прилегает к уплотнительным поверхностям конструкционных элементов. У этой конструкции для контактных тел и полосы могут применять разные материалы, которые могут быть выбраны в зависимости от соответствующей функции конструкционных элементов. Например, для полосы применяют высокоупругую пружинную сталь, тогда как контактные тела могут быть изготовлены из относительно мягкого сплава для повышения уплотнительного действия. Также можно изготовить контактные тела из относительно твердого материала с тем, чтобы за счет этого уменьшить абразивные явления при относительных перемещениях.

Другие важные признаки и преимущества щелевого уплотнения, согласно изобретению, следуют из зависимых пунктов формулы, чертежей и соответствующего описания их фигур.

Краткое описание чертежей

Предпочтительные примеры выполнения изобретения изображены на чертежах и более подробно поясняются в нижеследующем описании, причем одинаковые ссылочные позиции относятся к одинаковым или функционально одинаковым или схожим признакам. На чертежах схематично изображают:

- фиг.1: уплотнительное устройство согласно изобретению с щелевым уплотнением в первой форме выполнения и при первой геометрии щели в разрезе;

- фиг.2: вид, как на фиг.1, однако при второй геометрии щели;

- фиг.3: вид, как на фиг.1, однако во второй форме выполнения щелевого уплотнения;

- фиг.4: вид, как на фиг.1, однако в третьей форме выполнения щелевого уплотнения;

- фиг.5: вид, как на фиг.1, однако в четвертой форме выполнения щелевого уплотнения.

Пути реализации изобретения

В соответствии с фиг.1 частично изображенные первый и второй конструкционные элементы 1, 2 размещены на теле (не показано), например корпусе или роторе турбины или компрессора, так, что они соседствуют между собой и образуют между собой щель 3. Оба конструкционных элемента 1, 2 могут быть образованы, например, элементом теплозащитного экрана или направляющей лопаткой, или роторной лопаткой турбины, или компрессора.

Щель 3 ведет одним концом к первой камере 4, а другим - ко второй камере 5. Между этими обеими камерами 4, 5 необходимо предотвратить газообмен. Для этой цели в щели 3 расположено щелевое уплотнение 6. Согласно изобретению, это щелевое уплотнение 6 включает в себя уплотнительное тело 7, изготовленное из согнутой полосы 18 или полосообразной детали. Эта полоса 18 деформирована при этом так, что возникает изображенное на фигурах сечение, называемое ниже также уплотнительным профилем. Уплотнительное тело 7 имеет на своем уплотнительном профиле две контактные зоны 8, прилегающие каждая к уплотнительной поверхности 9 конструкционных элементов 1, 2. Эти уплотнительные поверхности 9 противоположны друг другу в щели 3 и выполнены целесообразно плоскими, а также расположены параллельно друг другу. Профилирование уплотнительного тела 7 выбрано так, что обе контактные зоны 8 прилегают с натягом к обеим уплотнительным поверхностям 9. Далее выбранные уплотнительный профиль обеспечивает упругоэластичную податливость обеих контактных зон 8, когда они сходятся, например, в результате соответствующего движения обоих конструкционных элементов 1, 2. Контактные зоны 8 могут поэтому при подобных относительных движениях между конструкционными элементами 1, 2 следовать за уплотнительными поверхностями 9 с тем, чтобы даже при этих относительных движениях обеспечить уплотнительное действие уплотнительного тела 7.

На одном конструкционном элементе, здесь на конструкционном элементе 2, на обращенном ко второй камере 5 конце щели 3 выполнен уступ 10, который отстоит от уплотнительной поверхности 9 этого конструкционного элемента 2 к другому конструкционному элементу 1 и при этом входит в щель 3. На обращенной от второй камеры 5 стороне уступа 10 уплотнительное тело 7 опирается опорной зоной 11 на этот уступ 10 перпендикулярно описанному выше пружинящему движению контактных зон 8. Направление этого опирания, таким образом, параллельно плоскости 12 щели, проходящей перпендикулярно плоскости чертежа и, например, перпендикулярной оси ротора турбины или компрессора.

В соответствии с изображенными здесь формами выполнения уплотнительный профиль уплотнительного тела 7 отформован так, что уплотнительное тело 7 имеет односторонне открытый в сечении полый профиль 13, сообщенный с щелью 3 через отверстие 14 профиля на тот случай, если в обеих камерах 4, 5 господствуют разные давления. Уступ 10 расположен так, что уплотнительное тело 7 опирается на него с той стороны, которая обращена к камере с более высоким давлением. В изображенных здесь примерах выполнения первая камера 4 имеет более высокое давление, чем вторая камера 5. Позиционирование уплотнительного тела 7 в щели 3 происходит целесообразно так, что отверстие 14 профиля обращено к камере с более высоким давлением, т.е. здесь к камере 4, так что и в полом профиле 13 господствует более высокое давление. За счет этого направленное наружу усилие натяжения контактных зон 8 усиливается разностью давлений между камерами 4, 5.

За счет выбранного расположения более высокое давление в первой камере 4 оказывает сжимающее усилие на уплотнительное тело 7, которое прижимает его к уступу 10, в результате чего возникает достаточно надежная фиксация или позиционирование уплотнительного тела 7 на уступе 10. При относительном перемещении между обоими конструкционными элементами 1, 2, при котором один конструкционный элемент перемещается параллельно плоскости 12 щели относительно другого конструкционного элемента, уплотнительная поверхность 9 первого конструкционного элемента 1 может перемещаться со скольжением вдоль прилегающей к ней контактной зоны 8, не ухудшая этим уплотнительное действие. Если при этом первый конструкционный элемент, в соответствии с фиг.2, движется относительно уступа 10 вверх, то уплотнительное тело 7 остается в своем положении, поскольку разность давлений между камерами 4, 5 удерживает уплотнительное тело 7, в соответствии с фиг.2, прижатым к уступу 10. При встречном движении перемещения, при котором, следовательно, первый конструкционный элемент 1, в соответствии с фиг.2, смещается вниз, передаваемые на уплотнительное тело 7 силы трения опираются непосредственно через уступ 10.

При другом относительном перемещении, при котором оба конструкционных элемента 1, 2 движутся по отношению друг к другу почти перпендикулярно плоскости 12 щели, это приводит к увеличению или уменьшению ширины щели, т.е. (вертикального) расстояния между обеими уплотнительными поверхностями 9. Если в соответствии с фиг.2 обе уплотнительные поверхности 9 сходятся, то ширина щели уменьшается, причем обе контактные поверхности 8 уплотнительного тела 7 также сходятся. За счет профилирования, согласно изобретению, уплотнительного тела 7 контактные зоны 8 при этом упругоподатливо подаются. При встречном движении перемещения, когда, следовательно, расстояние между уплотнительными поверхностями 9 снова увеличивается, контактные зоны 8 могут следовать за уплотнительными поверхностями 9, причем и здесь всегда может быть обеспечена достаточная герметизация. Ясно, что одновременно может протекать также любая комбинация обоих вышеназванных относительных движений.

Форма уплотнительного тела 7 целесообразно выбрана так, что при минимальном расстоянии между обеими уплотнительными поверхностями 9, при котором уступ 10 второго конструкционного элемента 2 прилегает к первому конструкционному элементу 1, все еще деформирована за счет изгиба в эластичной зоне. За счет этого, даже при экстремальных относительных движениях, можно обеспечить функцию щелевого уплотнения 6.

Целесообразно профилирование уплотнительного тела 7 выбрать так, чтобы обе контактные зоны 8 лежали на одной прямой, проходящей перпендикулярно параллельным друг другу уплотнительным поверхностям 9. За счет этого возникает симметрия усилий, действующих на уплотнительное тело 7 во время относительных движений между конструкционными элементами 1, 2, что уменьшает опасность перекоса уплотнительного тела 7 в щели 3.

У формы выполнения на фиг.1, 2 профиль используемой для изготовления уплотнительного тела 7 полосы 18 имеет между двумя концевыми отрезками 15 U-образный средний отрезок 16, который включает в себя или образует вышеупомянутый полый профиль 13 и снабжен также опорной зоной 11. Концевые отрезки 15 скруглены наружу и несут контактные зоны 8.

У более простой формы выполнения на фиг.3 используемая для изготовления уплотнительного тела 7 полоса 18 может иметь С-образный профиль.

Ясно, что уплотнительное тело 7 может быть, в принципе, профилировано произвольно, если обеспечена нужная упругая податливость контактных зон 8. В качестве примера на фиг.4 изображено асимметрично профилированное уплотнительное тело 7.

В то время как у форм выполнения на фиг.1-4 контактные зоны 8 всегда выполнены непосредственно на полосе 18, из которой изготовлено уплотнительное тело 7, полоса 18 у формы выполнения на фиг.5 несет контактные тела 17, на которых выполнены контактные зоны 8. Контактные тела 17 могут быть, например, приварены или припаяны к полосе 18 уплотнительного тела 7. Благодаря этому можно оптимизировать выбор материала и/или форму полосы 18 и контактных тел 17 в отношении соответствующей функции. В то время как контактные тела 17 оптимизированы в отношении уплотнительной функции и возможности перемещения контактной зоны 8 вдоль уплотнительной поверхности 9 первого конструкционного элемента 1, расчет полосы 18 может быть осуществлен в отношении нужного упругого натяжения.