УЗЕЛ ТУРБИНЫ, ТУРБИНА И СПОСОБ ПОДДЕРЖКИ КОМПОНЕНТОВ ТУРБИНЫ
TURBINE ASSEMBLY, TURBINE AND METHOD OF TURBINE COMPONENTS SUPPORT

ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0001] Описанный в настоящем документе объект изобретения относится к турбинам. Конкретнее, объект изобретения относится к узлу неподвижных конструкций турбины.
[0002] В турбинных двигателях, например в паротурбинных или газотурбинных двигателях, неподвижные или не вращающиеся конструкции при близком расположении друг к другу могут иметь определенные зазоры. Зазоры между близко расположенными конструкциями допускают возможность смещения под действием изменений температуры или изменений давления. Например, в газотурбинном двигателе в камере сгорания химическая энергия топлива или топливно-воздушной смеси превращается в тепловую энергию. Тепловая энергия переносится текучей средой, обычно воздухом, из компрессора в турбину, где тепловая энергия преобразуется в механическую энергию. Высокая температура горения и/или высокое давление в определенных местах, например в камере сгорания и на поверхностях сопловых лопаток турбины, способствуют повышению КПД камеры сгорания и выработке электроэнергии. В некоторых случаях высокая температура и/или высокое давление в определенных конструкциях турбины могут вызвать относительное смещение близко расположенных конструкций, которое может привести к соприкосновению и трению, которые ведут к созданию напряжений в конструкциях и к их износу. Например, элементы статора, такие как кольца или кожух, соединены по окружности с корпусом турбины и подвержены воздействию высоких температур и высокого давления, когда горячий газ проходит вдоль статора.
[0003] Целесообразно улучшить производительность турбины благодаря уменьшению зазоров между конструкциями турбины. В некоторых случаях уменьшение зазоров предусматривает учет эксцентриситета, отклонения от формы окружности и неравномерность частей.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0004] В соответствии с одним аспектом изобретения узел турбины содержит первую неподвижную конструкцию и вторую неподвижную конструкцию, расположенную радиально снаружи относительно первой неподвижной конструкции. Узел также содержит опорный элемент, расположенный в выемке второй неподвижной конструкции и имеющий первую и вторую криволинейные поверхности для контакта, соответственно, с первой и второй неподвижными конструкциями, причем опорный элемент содержит поджимающую конструкцию для удерживания опорного элемента в выемке.
[0005] В соответствии со вторым аспектом изобретения способ поддержки компонентов турбины включает установку внутреннего корпуса турбины по существу соосно с ротором и окружение внутреннего корпуса турбины ее наружным корпусом. Способ также включает поддержку внутреннего корпуса турбины относительно ее наружного корпуса с помощью опорного элемента, при этом опорный элемент содержит поджимающую конструкцию, выполненную с возможностью поддержки опорного элемента, если опорный элемент не соприкасается с внутренним корпусом или с наружным корпусом турбины.
[0006] Эти и другие преимущества и признаки изобретения будут более понятны из последующего описания, рассмотренного совместно с чертежами.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[0007] Рассматриваемый объект изобретения показан подробно и отдельно заявлен в формуле изобретения, в заключительной части описания изобретения. Вышеупомянутые и другие признаки и преимущества изобретения понятны из последующего подробного описания, рассмотренного совместно с прилагаемыми чертежами, на которых:
[0008] Фиг.1 представляет собой частичный разрез иллюстративной турбины;
[0009] Фиг.2 представляет собой упрощенный поперечный разрез турбины, показанной на Фиг.1; и
[0010] Фиг.3 представляет собой подробный разрез узла турбины.
[0011] В подробном описании варианты выполнения изобретения, наряду с преимуществами и признаками, поясняются посредством примера, со ссылкой на чертежи.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0012] Варианты выполнения настоящего изобретения включают систему управления зазорами, регулирующую положение внутреннего корпуса турбины относительно ротора и/или наружного корпуса турбины. При этом система предусматривает отдельные параметры для уменьшения рабочего зазора между вращающимися и неподвижными компонентами турбины с целью улучшения производительности турбины экономически эффективным способом. К основным параметрам относятся трение, эксцентриситет, отклонение от формы окружности, мощность, стоимость и легкость использования. Система может дополнительно содержать устройства управления зазорами и способы управления температурой и, следовательно, расширением и сжатием внутреннего корпуса турбины. Несмотря на то что различные варианты выполнения настоящего изобретения описаны и проиллюстрированы применительно к турбине, специалисту будет понятно, что принципы и идеи настоящей заявки могут применяться в равной степени к турбинам с близко расположенными вращающимися и неподвижными компонентами.
[0013] На Фиг.1 представлен упрощенный частичный разрез турбины 10, в соответствии с одним вариантом выполнения настоящего изобретения. Как показано на чертеже, турбина 10 обычно содержит ротор 12, один или несколько внутренних корпусов 14 и наружный корпус 16. Ротор 12 содержит несколько рабочих колес 18, разделенных прокладками 20 по длине ротора 12. Болт 22 проходит через колеса 18 турбины 18 и прокладки 20 для удержания их на месте и для формирования в совокупности части ротора 12. Расположенные по окружности рабочие лопатки 24 турбины соединены с каждым рабочим колесом 18 турбины и выступают из него радиально наружу для образования ступени в турбине 10. Например, турбина 10, показанная на Фиг.1, содержит три ступени рабочих лопаток 24, хотя настоящее изобретение не ограничено количеством ступеней, включенных в турбину 10.
[0014] Внутренние корпуса 14 турбины полностью окружают по меньшей мере часть ротора 12. Например, как видно на Фиг.1, отдельный внутренний корпус 14 турбины полностью окружает наружную поверхность рабочих лопаток 24 турбины каждой ступени. Таким образом, внутренние корпуса 14 турбины и наружная поверхность рабочих лопаток 24 турбины уменьшают поток горячих газов, который обходит ступень турбины. Наружный корпус 16 турбины в целом окружает ротор 12 и внутренний корпус 14 турбины. Расположенные по окружности сопловые лопатки 28 соединены с наружным корпусом 16 турбины и проходят радиально внутрь к прокладкам 20. Например, как показано на Фиг.1, крайняя левая сопловая лопатка 28 первой ступени соединена с наружным корпусом 16 турбины таким образом, что поток газов, поступающий через сопловую лопатку 28, оказывает давление на наружный корпус 16 в направлении вниз по потоку.
[0015] Как показано на Фиг.1, внутренний корпус 14 турбины может содержать один или большее количество внутренних каналов 30. Эти каналы 30 обеспечивают возможность нагрева или охлаждения внутреннего корпуса 14 турбины потоком среды, когда это необходимо. Например, воздушный поток из компрессора или камеры сгорания может отводиться от прохода для горячих газов и регулироваться при помощи каналов 30, расположенных во внутреннем корпусе 14 турбины. Таким образом, внутренний корпус 14 турбины можно нагревать или охлаждать, обеспечивая в управляемом режиме расширение или сжатие в радиальном направлении, для получения предусмотренного зазора между внутренним корпусом 14 и наружной поверхностью рабочих лопаток 24. Например, при запуске турбины 10 нагретый воздух может циркулировать по разным каналам 30 внутреннего корпуса 14 с целью радиального расширения внутреннего корпуса 14 снаружи от наружной поверхности рабочих лопаток 24. Поскольку внутренний корпус 14 нагревается быстрее ротора 12, то при запуске обеспечивается соответствующий зазор между внутренним корпусом 14 и наружной поверхностью рабочих лопаток 24. При работе в стационарном режиме температура воздуха, подаваемого во внутренний корпус 14, может регулироваться с целью сужения и расширения внутреннего корпуса 14 относительно наружной поверхности рабочих лопаток 24, создавая, таким образом, необходимый зазор между внутренним корпусом 14 и наружной поверхностью рабочих лопаток 24, с целью повышения КПД турбины. Аналогично, при останове турбины 10 температура воздуха, подаваемого во внутренний корпус 14, может регулироваться, обеспечивая возможность более медленного сжатия внутреннего корпуса 14 по сравнению с рабочими лопатками 24, во избежание чрезмерного контакта наружной поверхности рабочих лопаток 24 с внутренним корпусом 14. С этой целью температура среды может регулироваться для поддержания необходимого зазора при останове.
[0016] Используемые в данном документе термины «ниже по потоку» и «выше по потоку» указывают направление относительно потока рабочей среды, проходящего через турбину. Таким образом, термин «ниже по потоку» обозначает направление, в целом соответствующее направлению потока рабочей среды, а термин «выше по потоку» в целом обозначает направление, противоположное направлению потока рабочей среды. Термин «радиальный» обозначает движение или положение, перпендикулярное оси или осевой линии. Целесообразно описать части, имеющие различное радиальное положение относительно оси. При этом, если первый компонент расположен ближе к оси, чем второй компонент, то, как указывается здесь, первый компонент расположен «радиально внутри» второго компонента. И наоборот, если первый компонент расположен дальше от оси, чем второй компонент, то, как указывается здесь, первый компонент расположен «радиально снаружи» или «установлен вне» второго компонента. Термин «осевой» обозначает движение или положение параллельно оси. Термин «по окружности» обозначает движение или положение вокруг оси. Несмотря на то, что приведенное ниже пояснение относится в первую очередь к турбинам, рассматриваемые идеи не ограничиваются турбинами и могут использоваться с любыми вращающимися механизмами.
[0017] Фиг.2 представляет собой упрощенный поперечный разрез турбины 10, показанной на Фиг.1, вдоль линии А-А. При этом ротор 12 с радиально выступающими из него рабочими лопатками 24 расположен в центре. Внутренний корпус 14 полностью окружает рабочие лопатки 24 и по меньшей мере часть ротора 12, создавая зазор 32 между внутренним корпусом 14 и наружной поверхностью рабочих лопаток 24. В одном варианте выполнения внутренний корпус 14 выполнен из одной цельной конструкции, полностью окружающей часть ротора 12. Указанная цельная конструкция уменьшает эксцентриситет и отклонение от формы окружности, возникающие в сборных конструкциях. В других вариантах выполнения внутренний корпус 14 может состоять из нескольких частей, полностью окружающих часть ротора 12. Фиксатор, шпонка или другой упор 34, расположенные между нижней поверхностью внутреннего корпуса 14 и нижней поверхностью наружного корпуса 16, могут использоваться для крепления внутреннего корпуса 14 на месте в поперечном направлении и для ограничения поворотного перемещения внутреннего корпуса 14 относительно ротора 12 и/или относительно наружного корпуса 16.
[0018] Как показано на Фиг.2, между внутренним корпусом 14 и наружным корпусом 16 имеется промежуток 36 или пространство. Таким образом, внутренний корпус 14 физически изолирован от наружного корпуса 16, не допуская передачи любой деформации, сжатия или расширения от наружного корпуса 16 к внутреннему корпусу 14. Например, эксцентриситет и отклонение от формы окружности, вызываемые температурным перепадом в тракте для горячих газов в наружном корпусе 16, не передаются к внутреннему корпусу 14 и, следовательно, не влияют на формирование зазора 32, расположенного между внутренним корпусом 14 и наружной поверхностью рабочих лопаток 24.
[0019] Опорный узел 38 обеспечивает поддержку между внутренним корпусом 14 и наружным корпусом 16. Если внутренний корпус 14 представляет собой цельную конструкцию, то узел 38 может быть размещен между внутренним корпусом 14 и наружным корпусом 16 на противоположных сторонах примерно посередине в вертикальном направлении (т.е. примерно посередине расстояния между верхней и нижней частью внутреннего корпуса 14). В других вариантах выполнения, в которых внутренний корпус14 состоит из нескольких частей, система может содержать несколько опорных узлов 38, равномерно расположенных по периметру внутреннего корпуса 14. В одном варианте выполнения наружный корпус 14 содержит площадку 70, выполненную с возможностью обеспечения контакта с узлом 38.
[0020] Представленный вариант выполнения опорного узла 38 снижает трение между двумя независимыми неподвижными конструкциями турбины, например между внутренним корпусом 14 и наружным корпусом 16. Как показано на Фиг.3, узел 38 содержит опорный элемент 40, например поворотный блок, снижающий трение во время относительного перемещения конструкций. Кроме того, иллюстративный узел и опорный элемент 40 имеют меньшее количество частей, чем другие варианты выполнения узла турбины. Кроме того, конфигурация опорного элемента обеспечивает сохранение направления и положения опорного элемента, если он не соприкасается, по меньшей мере с одной из конструкций 14, 16 корпуса. Как видно из чертежей, опорный элемент 40 соприкасается с опорными поверхностями 44 и 46, соответственно, внутреннего корпуса 14 турбины и наружного корпуса 16 турбины. Кроме того, опорный элемент 40 расположен в выемке 42 в наружной корпусной конструкции 16.
[0021] Иллюстративный опорный элемент 40 содержит, по существу, квадратный блок с закругленными краями. Опорный элемент 40 представляет собой жесткую конструкцию, способную перекатываться или перемещаться 58 с поворотом, поскольку внутренняя и наружная конструкции 14 и 16 корпуса перемещаются относительно друг друга. Опорный элемент 40 содержит поджимающие элементы 48 и 52 для поддержки блока. В одном варианте выполнения поджимающие элементы 48 и 52 представляют собой пружины, расположенные рядом с углами опорного элемента 40. При этом поджимающие элементы 48 расположены в выемке 42 и соприкасаются с опорными поверхностями 46 и боковыми поверхностями 50 для удержания опорного элемента 40, когда опорный элемент не соприкасается с опорной поверхностью 44. В одном примере путем удержания опорного элемента 40 в выемке 42 сохраняются направление и положение опорного элемента 40. Кроме того, поджимающие элементы 48 выполнены с установленной жесткостью для обеспечения возможности перемещения 58 с поворотом опорного элемента 40 при относительном перемещении конструкций 14, 16 корпуса. Поджимающие элементы 52 обеспечивают поддержку и обеспечивают возможность опорному элементу 40 удерживать требуемое направление, когда силы, как сила тяжести, приводит к соприкосновению криволинейной поверхности 54 с опорной поверхностью 44.
[0022] Относительное перемещение конструкций 14, 16 корпуса приводит к качению опорного элемента 40 и повороту на малый угол 60. Например, относительное перемещение между внутренней конструкцией 14 корпуса и наружной конструкцией 16 корпуса примерно на 0,2 дюйма (~ 5 мм) может привести к повороту примерно на 4 градуса для малого угла 60. Кроме того, криволинейные поверхности 54 и 56 соприкасаются, соответственно, с опорными поверхностями 44 и 46 для обеспечения перемещения 58 с поворотом с низким трением. Иллюстративные криволинейные поверхности 54, 58 выполнены из высокопрочного материала, например из высокопрочной нержавеющей стали или из сплава с высоким содержанием никеля. В вариантах выполнения весь опорный элемент 40 может быть выполнен из высокопрочного материала, или же части блока могут быть выполнены из различных материалов, например из углеродистой стали или другой соответствующей нержавеющей стали. Снижение трения, обеспечиваемое узлом 38, позволяет уменьшить зазоры между близко расположенными частями турбины, например между конструкциями 14, 16 корпуса, для улучшения производительности и кпд. Кроме того, снижение трения, обеспечиваемое опорным элементом 40, уменьшает эксцентриситет и отклонение от формы окружности компонентов, снижая, тем самым затраты.
[0023] В одном варианте выполнения два или большее количество опорных элементов расположено на каждом опорном узле 38 (как показано на Фиг.2), причем второй и «противоположный» опорный элемент по существу представляют собой зеркальное отображение показанного на Фиг.3 элемента относительно вертикальной средней точки конструкции 14 внутреннего корпуса. Противоположный опорный элемент расположен близко к опорному элементу 40 по линии относительно вертикальной средней точки. Соответственно, противоположный опорный элемент размещают для соприкосновения с поверхностью конструкции 14 внутреннего корпуса, который расположен по существу параллельно опорной поверхности 44.
[0024] Несмотря на то, что изобретение было подробно описано в связи лишь с ограниченным числом вариантов выполнения, следует понимать, что оно не ограничивается данными описанными вариантами выполнения. Напротив, изобретение может быть усовершенствовано с учетом любого количества изменений, вариантов, замен или эквивалентных комбинаций, ранее не описанных, но соответствующих сущности и объему изобретения. При этом, несмотря на то, что были описаны различные варианты выполнения изобретения, следует понимать, что аспекты изобретения могут включать лишь некоторые из описанных вариантов выполнения. Таким образом, изобретение не должно ограничиваться приведенным выше описанием; оно ограничивается лишь объемом прилагаемой формулы изобретения.