ТУРБОМАШИНА С УРАВНИТЕЛЬНЫМ ПОРШНЕМ ПРОТИВ СДВИГА
TURBOMACHINE WITH LEVELLING PISTON AGAINST DISPLACEMENT

Изобретение относится к ротационной машине, в частности, турбине, насосу или компрессору, по меньшей мере с одним ротором и по меньшей мере с одной текучей рабочей средой (паром), частично окружающей ротор, причем ротор содержит по меньшей мере один уравнительный поршень для воздействия на осевой сдвиг ротора, причем уравнительный поршень имеет изменения диаметра ротора, причем предусмотрено первое уплотнение вала, герметизирующее первую камеру нагнетания, в которой действует первое давление, от второй камеры нагнетания, в которой действует второе давление, таким образом, что по меньшей мере время от времени между первой и второй камерой нагнетания устанавливается разность давлений, при этом первое уплотнение вала установлено на уравнительном поршне таким образом, что первое изменение диаметра подвержено давлению первой камеры нагнетания, а второе изменение диаметра - давлению второй камеры нагнетания, при этом уравнительный поршень содержит третью камеру нагнетания с третьим давлением, причем второе уплотнение вала установлено таким образом, что третье изменение диаметра подвержено давлению третьей камеры нагнетания, при этом уравнительный поршень содержит четвертую камеру нагнетания с четвертым давлением, причем четвертое изменение диаметра подвержено давлению четвертой камеры, при этом четвертая камера нагнетания отделена от третьей камеры нагнетания с помощью третьего уплотнения вала. В US 444615657 раскрыт пример газовой турбины с уравнительным поршнем высокого и низкого давления.
Уравнительные поршни ротационных машин относятся, в частности, у паровых турбин, к обычным узлам. Как правило, рост или падение давления текучей рабочей среды происходят вдоль пути расширения или уплотнения по меньшей мере частично в аксиальном направлении ротора, причем сам ротор или соединенный с ним элемент на участках изменения диаметра, например, на уступах на валу подвержены, соответственно, действию разных давлений. При этом вращающаяся лопаточная решетка так же, как и сплошные окружные уступы, вызывает осевой сдвиг, передаваемый этими элементами ротору в качестве осевого усилия. Чтобы осевой подшипник в этих условиях эксплуатации мог быть рассчитан в разумных пределах, необходимо, чтобы эти усилия компенсировались соответствующими противодействующими усилиями в другом месте. С этой целью, например, паровые турбины современной конструкции регулярно содержат уступ на валу, именуемый уравнительным поршнем, поверхность окружности которого, радиально обращенная наружу, снабжена уплотнением вала, регулярно выполняемым в качестве лабиринтного уплотнения, отделяющего первую камеру нагнетания от второй камеры нагнетания с образованием разности давлений. Вследствие этого с аксиальной стороны уравнительного поршня приложено другое давление, нежели чем с другой аксиальной стороны, так что при соответствующем расчете диаметров и давлений в камерах к ротору может прикладываться осевое усилие, компенсирующее дальнейший осевой сдвиг до остатка, подпираемого осевым подшипником, так что на осевой подшипник приходится лишь незначительная нагрузка, а ротор все же постоянно удерживается в своем определенном аксиальном положении за счет остающегося остаточного усилия.
При известных условиях со ссылкой на соответствующую рабочую точку может быть осуществлена такая регулировка давления в камерах нагнетания, чтобы желательное остаточное давление поддерживалось постоянно.
Описанный эффект компенсации зачастую достигается лишь тогда, когда или давления на уравнительный поршень обнаруживают особенно большую разность, или диаметр уравнительного поршня рассчитан очень большим. При особенно больших разностях давлений уплотнение вала, предусмотренное на уравнительном поршне, имеет достаточное большое пространство для монтажа для достижения необходимого эффекта уплотнения. Как большие диаметры, так и большое аксиальное пространство для монтажа, с одной стороны, вызывают нежелательные эффекты в динамике ротора в виде колебаний, а, с другой стороны, большие расходы вследствие дополнительной потребности в материалах как для ротора, так и для окружающих компонентов, в частности, для корпусов. Вместе с тем значительными являются дополнительные расходы на установку, транспортировку и хранение крупногабаритных деталей.
Поэтому задачей изобретения является такое усовершенствование ротационной машины с уравнительным поршнем вышеупомянутого типа, чтобы для той же компенсации было необходимо меньшее пространство для монтажа.
Для решения задачи согласно изобретению предлагается ротационная машина, в которой первая камера нагнетания и третья камера нагнетания соединены посредством первого нагнетательного канала с первым уровнем давления на участке сходящего потока ротационной машины таким образом, что давление, действующее в первой камере нагнетания, и давление, действующее в третьей камере нагнетания, являются идентичными, при этом вторая камера нагнетания и четвертая камера нагнетания соединены посредством второго нагнетательного канала со вторым уровнем давления у лопаточной решетки ротационной машины таким образом, что давление, действующее во второй камере нагнетания, и давление, действующее в четвертой камере нагнетания, являются идентичными. Взаимосвязанные зависимые пункты формулы изобретения содержат предпочтительные усовершенствования.
Выполнение уравнительного поршня с несколькими камерами, отделенными друг от друга соответствующими уплотнениями вала с образованием разности давлений, ограничивающими камеры по меньшей мере одним изменением диаметра ротора, обеспечивает уменьшение диаметра уравнительного поршня без уменьшения потенциала компенсации сдвига. Кроме того, благодаря многоступенчатому выполнению уравнительного поршня (когда одна ступень уравнительного поршня определяется как установка одного уплотнения вала, одной камеры с определенным давлением и одного ограничивающего эту камеру изменения диаметра ротора) необходимое давление в расчете на ступень уравнительного поршня может быть выбрано меньшим, так чтобы требования к соответствующему уплотнению вала были снижены и чтобы оно могло быть выполнено меньшего аксиального размера.
Особенно предпочтительное усовершенствование изобретения предусматривает, чтобы уравнительный поршень был выполнен в виде непосредственной последовательности изменений диаметра ротора, которая при обозначении в направлении продольной протяженности ротора выполнена в следующем порядке:
- первое увеличение диаметра,
- первое уменьшение диаметра,
- второе увеличение диаметра,
- второе уменьшение диаметра,
причем между
- первым увеличением и первым уменьшением диаметра,
- первым уменьшением и вторым увеличением диаметра,
- вторым увеличением и вторым уменьшением диаметра,
предусмотрено соответствующее уплотнение вала между соответствующей неподвижной стенкой и ротором, так чтобы
- первая камера нагнетания в качестве ограничительной стенки имела первое увеличение диаметра,
- вторая камера нагнетания в качестве ограничительной стенки имела первое уменьшение диаметра,
- третья камера нагнетания в качестве ограничительной стенки имела второе увеличение диаметра и
- четвертая камера нагнетания в качестве ограничительной стенки имела второе уменьшение диаметра.
Под непосредственной последовательностью (непосредственностью) следует понимать отсутствие промежуточной установки других модулей, как, например, лопаточных решеток.
Если система из камеры нагнетания, изменения диаметра, определяющим ограничительную стенку камеры нагнетания, и с уплотнением вала понимается как ступень уравнительного поршня, то в этом предпочтительном усовершенствованном варианте выполнения речь идет о четырехступенчатой системе, которая при одинаковых максимальных и минимальных диаметрах соответствующих ступеней может иметь удвоенный потенциал компенсации сдвига как обычный уравнительный поршень.
Система согласно изобретению в зависимости от компенсируемой разности давлений может иметь и больше четырех вышеприведенных ступеней, например, 5, 6 или более.
Чтобы уравнительный поршень согласно изобретению даже при больших разностях давлений в расчете на одну ступень не требовал большого аксиального пространства для монтажа, целесообразно, чтобы уплотнения вала между камерами нагнетания были выполнены в качестве щеточного или торцевого уплотнения. Эти виды уплотнения по сравнению с лабиринтными уплотнениями дают больший эффект уплотнения, так что при меньшем аксиальном удлинении могут быть стравлены большие разности давлений, и вследствие этого уравнительные поршни как в радиальном, так и в аксиальном направлении имеют меньшую потребность в пространстве для монтажа.
Особенно целесообразным является создание нагнетательных каналов для соответствующих камер нагнетания, так чтобы разности давлений, необходимые для компенсации, устанавливались путем установки определенного давления в камерах нагнетания.
Для обеспечения подстройки компенсации сдвига к различным условиям эксплуатации в качестве дополнения может быть целесообразно предусмотреть по меньшей мере в одном нагнетательном канале по меньшей мере один исполнительный орган или клапан, с помощью которого можно регулировать давление в подсоединенной камере нагнетания. Из-за перманентной утечки через соответствующее уплотнение вала камеры нагнетания исполнительный орган обеспечивает динамичное регулирование давления, инициируемое, предпочтительно, из центра регулирования в зависимости от соответствующей рабочей точки.
При изготовлении особые потенциалы экономии раскрываются на основе изобретения, если на уравнительном поршне выполнены по меньшей мере два уплотнения вала одинаковой конструкции. Кроме того, ступенчатое выполнение уравнительного поршня согласно изобретению обеспечивает использование уплотнений вала одинаковой конструкции для разных турбин, в частности, когда варьирование числа ступеней уравнительного поршня по их различию в компенсации сдвига в точности соответствует различию в сдвиге соответствующих типов ротационных машин.
Ниже изобретение более подробно описано со ссылкой на чертежи частного примера выполнения. Изобретение не ограничено этим частным вариантом выполнения, более того, перед специалистом наряду с этим примером открываются другие варианты выполнения, также использующие изобретение. При этом
фиг.1 изображает паровую турбину в качестве примера ротационной машины согласно изобретению,
фиг.2 - деталь X на фиг.1 в обычном исполнении уравнительного поршня,
фиг.3 - деталь X на фиг.1 в исполнении уравнительного поршня согласно изобретению,
фиг.4 - схематично вид ротора в обычном исполнении с разными диаметрами и с уравнительным поршнем и
фиг.5 - схематично вид ротора с исполнением уравнительного поршня согласно изобретению и с разными диаметрами.
На фиг.1 изображена ротационная машина 1, а именно, паровая турбина 2, в которой поданный свежий пар 3 при прохождении через лопаточную решетку 4 стравливается до пара 5 более низкого уровня давления на участке 80 сходящего потока. Ротор 6, на котором закреплена лопаточная решетка 1, в результате стравливания пара испытывает осевой сдвиг 8. Частично осевой сдвиг 8 подпирается осевым подшипником 9.
Для уменьшения осевого усилия, действующего на осевой подшипник, предусмотрен уравнительный поршень 10, выполненный на роторе 6 в виде уступа вала.
На фиг.2 и 3 изображена деталь X с уравнительным поршнем 10 обычной конструкции и в исполнении согласно изобретению.
Уравнительный поршень 10 обычной конструкции, изображенный на фиг.2, включает в аксиальном направлении обозначенные слева направо первую камеру 11 нагнетания, первое изменение 21 диаметра, первое уплотнение 31 вала, вторую камеру 12 нагнетания со вторым изменением 22 диаметра. Аксиально впереди этой описанной системы находится лабиринтное уплотнение 82 вала, с помощью которого герметизируется относительно атмосферы 51 первая камера 11 нагнетания. Аксиально позади системы, описанной в качестве уравнительного поршня 10, т.е., со стороны конца этой системы, обращенного внутрь турбины, находится другое лабиринтное уплотнение 52 вала, с помощью которого герметизируется от впуска 54 вторая камера 12 нагнетания. Это лабиринтное уплотнение вала может быть отнесено к уравнительному поршню 10. Давление, действующее во второй камере 22 нагнетания, выше, чем в первой камере 11 нагнетания, так что сдвиг, складывающийся из баланса усилий уравнительного поршня, противодействует сдвигу вследствие лопаточной решетки 3.
На фиг.3 изображена система согласно фиг.2 или детали X на фиг.1 с исполнением уравнительного поршня 10 согласно изобретению. При этом уравнительный поршень 10 согласно изобретению выполнен с четырьмя камерами 11, 12, 13, 14 нагнетания, содержащими соответствующие уплотнения 31, 32, 33 для отделения друг от друга и частично ограниченными по меньшей мере одним изменением 21, 22, 23, 24 диаметра ротора 6.
Уплотнения 31, 32, 33 вала выполнены в качестве щеточных уплотнений, так что для разности давлений между камерами 11, 12, 13, 14 нагнетания, эквивалентной обычной конструкции, используется меньшее аксиальное пространство для монтажа. Вторая камера 12 нагнетания и третья камера 13 нагнетания соединены с напорными каналами 42, 43, так что во второй камере 12 нагнетания имеет место большее давление, чем в третьей камере 13 нагнетания. В данном случае давление, действующее в первой камере 11 нагнетания и в третьей камере 13 нагнетания, а также давление, действующее во второй камере 12 нагнетания и в четвертой камере 14 нагнетания, идентичны. Вследствие неплотности уплотнений 31-33 в результате разностей давлений между отдельными камерами нагнетания, снабжаемыми из нагнетательных каналов 42, 43, возникают соответствующие потоки согласно вычерченным стрелкам 61-66.
На фиг.4 и 5 показаны диаметры, предусмотренные на роторе 6, в сочетании с различными давлениями в камерах 11-14 нагнетания во взаимодействии с уплотнениями 31-33 вала. На фиг.4 первая камера 11 нагнетания соединена нагнетательным каналом 71 со сходящим потоком, а вторая камера 12 нагнетания посредством второго нагнетательного канала 72 - с лопаточной решеткой 4 с более высоким уровнем давления.
На фиг.5 показано, что в дополнение к первой камере 11 нагнетания и второй камере 12 нагнетания третья камера 13 нагнетания и четвертая камера 14 нагнетания также сообщаются с уровнем давления в стекающем потоке или лопаточной решетке 4, и, таким образом, может быть достигнут двойной эффект компенсации сдвига. Дело в том, что в противном случае при аналогичном исполнении паровой турбины 2 диаметр уравнительного поршня 10 в исполнении согласно изобретению на фиг. 5 оказался бы меньше.
В качестве опции в нагнетательном канале 71 предусмотрен исполнительный орган 100 или клапан, с помощью которого давление в камерах 12, 13, 14 нагнетания может подстраиваться к текущим условиям эксплуатации. Исполнительный орган управляется из центра 101 регулирования.