УСТРОЙСТВО РЕГУЛИРОВАНИЯ НАПРАВЛЯЮЩИХ ЛОПАТОК И ТУРБОМАШИНА
DEVICE FOR ADJUSTMENT OF GUIDING VANES AND A TURBOMACHINE

Настоящее изобретение относится к устройству регулирования направляющих лопаток турбомашины и к турбомашине, имеющей такое устройство регулирования направляющих лопаток.
Известные из практики турбомашины содержат ротор и статор. Ротор турбомашины содержит вал и множество рабочих лопаток, вращающихся вместе с валом, причем рабочие лопатки образуют по меньшей мере один ряд рабочих лопаток. Статор турбомашины содержит корпус и множество неподвижных направляющих лопаток, причем направляющие лопатки образуют по меньшей мере одно кольцо направляющих лопаток. Из практики известны направляющие лопатки, изготавливаемые как цельные изделия. Из практики известно о регулировании направляющих лопаток кольца направляющих лопаток турбомашины с помощью устройства регулирования направляющих лопаток таким образом, что направляющие лопатки поворачиваются вокруг оси направляющих лопаток, продолжающейся в радиальном направлении ротора. Известные из практики устройства регулирования направляющих лопаток содержат приводной вал, с которым может быть соединен приводной двигатель и который может приводиться в движение с помощью приводного двигателя. В известных из практики устройствах регулирования направляющих лопаток вращение приводного вала с помощью приводного двигателя передается на все направляющие лопатки кольца направляющих лопаток с помощью управляющего кольца, так что, соответственно, все направляющие лопатки кольца направляющих лопаток регулируются или поворачиваются опосредованно приводным валом посредством управляющего кольца. Для уменьшения потерь давления потока на кольце направляющих лопаток и повышения производительности в кольцах направляющих лопаток желательно использовать многоэлементные направляющие лопатки. Однако до настоящего времени не известны никакие устройства регулирования направляющих лопаток, с помощью которых можно легко поворачивать многоэлементные направляющие лопатки кольца направляющих лопаток с минимальным трением и минимальной скручивающей нагрузкой.
Таким образом, настоящее изобретение основано на задаче создания устройства регулирования направляющих лопаток нового типа для турбомашины и создания турбомашины, имеющей такое устройство регулирования направляющих лопаток. Указанная задача решена с помощью устройства регулирования направляющих лопаток по п. 1 формулы изобретения. По изобретению каждая направляющая лопатка содержит переднюю часть лопатки и заднюю часть лопатки, которые могут поворачиваться вокруг общей оси поворота, а именно соответствующей оси поворота соответствующей направляющей лопатки, относительно друг друга. Приводной вал непосредственно соединен с одной из направляющих лопаток кольца направляющих лопаток таким образом, что части указанной направляющей лопатки кольца направляющей лопатки, с помощью приводного вала, непосредственно поворачиваются без вмешательства управляющего кольца. Приводной вал опосредованно соединен с другими направляющими лопатками кольца направляющих лопаток таким образом, что части других направляющих лопаток кольца направляющих лопаток опосредованно поворачиваются приводным валом посредством управляющего кольца. Каждый приводной рычаг воздействует на опорную цапфу передней части и опорную цапфу задней части каждой направляющей лопатки, причем приводные рычаги частей направляющих лопаток соединены друг с другом с помощью соединительного устройства таким образом, что части направляющих лопаток могут поворачиваться синхронно. Устройство регулирования направляющих лопаток по изобретению обеспечивает поворачивание многоэлементных направляющих лопаток вокруг осей поворота направляющих лопаток, продолжающихся в радиальном направлении, а именно таким образом, что передняя часть и задняя часть каждой направляющей лопатки в каждом случае могут синхронно поворачиваться вокруг общей оси поворота. Синхронное поворачивание частей каждой направляющей лопатки относительно друг друга может быть пропорциональным или непропорциональным. Части направляющей лопатки могут поворачиваться непосредственно приводным валом без вмешательства управляющего кольца, в то время как части других направляющих лопаток могут поворачиваться опосредованно приводным валом посредством управляющего кольца. В рассматриваемом случае управляющее кольцо может перемещаться предпочтительно в окружном направлении и в осевом направлении и не может перемещаться только в радиальном направлении. Части многоэлементных направляющих лопаток кольца направляющих лопаток могут синхронно поворачиваться с помощью устройства регулирования направляющих лопаток по настоящему изобретению с низким трением и низкой скручивающей нагрузкой.
По другой преимущественной разработке изобретения соответствующее соединительное устройство соединено в области каждой направляющей лопатки с одним из приводных рычагов на оси, проходящей параллельно соответствующей оси поворота направляющей лопатки, с помощью оси которая направляется в направляющей канавке соответствующего другого приводного рычага и в направляющей канавке конструкции корпуса кольца направляющих лопаток. Таким образом, можно обеспечить особо преимущественное соединение для поворачивания частей каждой направляющей лопатки кольца направляющих лопаток. Перемещение частей направляющих лопаток относительно друг друга определяется исключительно используемыми сборочными узлами.
По другой преимущественной разработке изобретения один из приводных рычагов, воздействующих на опорные цапфы частей соответствующей направляющей лопатки, соединен с управляющим кольцом в области каждой направляющей лопатки. Это обеспечивает особо преимущественное перемещение при поворачивании частей направляющих лопаток, инициируемое приводным валом в отношении всех направляющих лопаток кольца направляющих лопаток.
Предпочтительно, управляющее кольцо может перемещаться в окружном направлении и в осевом направлении, так что силы в точках соединения управляющего кольца и приводных рычагов, которые шарнирно соединены с управляющим кольцом, направлены перпендикулярно приводным рычагам. Силы в точках соединения управляющего кольца и приводных рычагов, которые соединены с управляющим кольцом, всегда направлены перпендикулярно приводным рычагам. По этой причине можно обеспечить то, что опоры направляющей лопатки или частей лопатки не будут подвергаться воздействию паразитных составляющих сил. В конечном счете, уменьшается нагрузка на части направляющей лопатки и опоры, в результате чего устройство регулирования направляющих лопаток также подвергается меньшим нагрузкам и, следовательно, оно может иметь меньшие размеры, поэтому для его установки требуется меньшее монтажное пространство.
Турбомашина определена в п. 11 формулы изобретения.
Другие предпочтительные разработки изобретения получены из зависимых пунктов формулы изобретения и приведенного ниже описания. Иллюстративные варианты осуществления изобретения подробно описаны со ссылкой на чертежи без ограничения.
На фиг. 1 показан перспективный вид части турбомашины в области кольца направляющих лопаток и устройства регулирования направляющих лопаток для многоэлементных лопаток кольца направляющих лопаток;
на фиг. 2 - вид в плане конструкции из фиг. 1 в первом состоянии;
на фиг. 3 - вид в плане конструкции из фиг. 1 во втором состоянии;
на фиг. 4 - перспективный вид конструкции из фиг. 3;
на фиг. 5 - конструкция из фиг. 1 с полностью закрытыми направляющими лопатками в положении 90° для блокирования потока;
на фиг. 6 - конструкция из фиг. 1 с полностью открытыми направляющими лопатками в положении 0° для создания потока без завихрений;
на фиг. 7 - конструкция из фиг. 1 с частично открытыми направляющими лопатками в положении 45° для создания потока с предварительным завихрением;
на фиг. 8 - конструкция из фиг. 1 с частично открытыми направляющими лопатками в положении 30° для создания потока с контрзавихрением;
на фиг. 9 - частичный разрез конструкции из фиг. 1 в области направляющей лопатки; и
на фиг. 10 - другой частичный разрез конструкции из фиг. 1 в области направляющей лопатки.
Настоящее изобретение относится к устройству регулирования направляющих лопаток турбомашины и к турбомашине, имеющей по меньшей мере одно такое устройство регулирования направляющих лопаток.
Специалисту в этой области техники известна принципиальная конструкция турбомашины, описанной в настоящей заявке. Для полноты картины в настоящей заявке указано, что турбомашина содержит ротор с установленными на нем рабочими лопатками и статор с установленными на нем направляющими лопатками. Рабочие лопатки ротора образуют по меньшей мере один ряд рабочих лопаток, причем указанный или каждый ряд рабочих лопаток вращается вместе с валом ротора. Направляющие лопатки статора образуют по меньшей мере одно кольцо направляющих лопаток, которое прикреплено к корпусу на стороне статора.
На фиг. 1, а также на фиг. 5-8 показан перспективный вид части турбомашины, а именно перспективный вид так называемого входного направляющего аппарата турбомашины, с помощью которого поток технологического газа может подвергаться определенной обработке перед его поступлением в рабочее колесо. Соответственно, входной направляющий аппарат, показанный на фиг. 1, 5-8, содержит кольцо 20 направляющих лопаток, состоящее из множества направляющих лопаток, причем каждая направляющая лопатка 21 образована из нескольких частей, а именно: из передней части 22 лопатки и задней части 23 лопатки. В области каждой направляющей лопатки 21 две части 22, 23 лопатки могут поворачиваться относительно друг друга вокруг общей оси поворота, которая продолжается в радиальном направлении и именуется как ось поворота направляющей лопатки, так что, соответственно, разделяющая плоскость частей 22, 23 каждой направляющей лопатки 21 проходит через общую ось поворота направляющей лопатки.
В области каждой направляющей лопатки 21 части 22, 23 лопатки установлены с помощью опорных цапф 24, 25 в конструкции 26 корпуса турбомашины, причем в показанном иллюстративном варианте осуществления изобретения опорные цапфы 24 передних частей 22 лопаток выполнены как полые валики, а опорные цапфы 25 задних частей 23 лопаток выполнены как сплошные валики, а именно таким образом, что опорные цапфы 24 передних частей 22 лопаток, образованные как полые валики, концентрично окружают опорные цапфы 25 задних частей 23 лопаток, образованных как сплошные валики. Разумеется, следует отметить, что опорные цапфы передних частей лопаток также могут быть выполнены как сплошные валики, а опорные цапфы задних частей лопаток - как полые валики, которые и в этом случае продолжаются концентрично относительно друг друга.
Регулирующее устройство направляющих лопаток для многоэлементных направляющих лопаток 21 кольца 20 направляющих лопаток, с помощью которого части 22, 23 лопаток каждой направляющей лопатки 21 можно поворачивать относительно осей поворота направляющих лопаток, продолжающихся в радиальном направлении, содержит приводной вал 38, показанный пунктиром на фиг. 1, который может быть соединен с непоказанным приводным двигателем и который может приводиться в движение приводным двигателем. Приводной вал 38 непосредственно соединен с одной из направляющих лопаток 21 кольца 20 направляющих лопаток, а именно таким образом, что части 22, 23 лопатки указанной направляющей лопатки 21, соединенной с приводным валом 38, непосредственно поворачиваются приводным валом 38 без вмешательства управляющего кольца 27. На фиг. 1 направляющая лопатка 21, части которой поворачиваются непосредственно приводным валом без вмешательства управляющего кольца 27, является той направляющей лопаткой, которая на фиг. 1 расположена приблизительно в положении «1 час» показанного кольца 20 направляющих лопаток. Приводной вал 38 предпочтительно продолжается соосно с опорными цапфами 24, 25 указанной направляющей лопатки 21 и, таким образом, предпочтительно соосно с осью поворота указанной непосредственно поворачиваемой направляющей лопатки 21. Что касается других направляющих лопаток кольца 20 направляющих лопаток, приводной вал 38 опосредованно соединен с ними через управляющее кольцо 27, а именно таким образом, что части 22, 23 указанных других направляющих лопаток 21 кольца 20 направляющих лопаток опосредованно поворачиваются приводным валом 38 посредством управляющего кольца 27.
Приводной рычаг 28 и 29 в каждом случае воздействует на опорную цапфу 24 передней части 22 лопатки и на опорную цапфу 25 задней части 23 лопатки каждой направляющей лопатки 21. Соответственно, приводной рычаг 28 воздействует на опорную цапфу 24, образованную как полый валик, передней части 22 лопатки, а приводной рычаг 29 воздействует на опорную цапфу 25, выполненную как сплошной валик, задней части 23 лопатки. В области каждой направляющей лопатки 21 приводные рычаги 28, 29 частей 22, 23 лопатки в каждом случае соединены друг с другом с помощью соединительного устройства 30, а именно таким образом, что части 22, 23 каждой направляющей лопатки 21 поворачиваются синхронно относительно друг друга.
В области каждой направляющей лопатки 21 соответствующее соединительное устройство 30, которое выполнено как соединительная тяга, соединено с приводным рычагом на оси, проходящей параллельно соответствующей оси поворота направляющей лопатки. В показанном иллюстративном варианте осуществления изобретения соответствующее соединительное устройство 30 соединено с приводным рычагом 28, который прикреплен к опорной цапфе 24 соответствующей передней части 22 лопатки на оси 31, проходящей параллельно соответствующей оси поворота направляющей лопатки. Соответствующее соединительное устройство 30 соединено с помощью оси 32, которая находится в направляющей канавке 33 соответствующего другого приводного рычага 29 и направляется в указанной направляющей канавке 33, с соответствующим другим приводным рычагом, а именно в показанном иллюстративном варианте осуществления изобретения с приводным рычагом 29, который связан с опорной цапфой 25 задней части 23 лопатки. Кроме того, ось 32 находится в зацеплении с направляющей канавкой 34 конструкции 26 корпуса кольца направляющих канавок с противоположного конца.
Направляющая канавка 33 соответствующего направляющего рычага 29 для оси 32 выполнена как линейно продолжающееся удлиненное отверстие, а направляющая канавка 34 конструкции 26 корпуса выполнена как удлиненное отверстие, продолжающееся в форме дуги.
Форма направляющей канавки 34 в конструкции 26 корпуса определяет соотношение углов поворота между соответствующей передней частью 22 лопатки и соответствующей задней частью 23 лопатки, т.е. определяет, помимо прочего, поворачиваются ли части 22, 23 каждой направляющей лопатки пропорционально или непропорционально относительно друг друга.
В области каждой направляющей лопатки 21 один из приводных рычагов, в показанном иллюстративном варианте осуществления изобретения приводной рычаг 29 для соответствующей задней части 23 соответствующей направляющей лопатки 21, который прикреплен к опорной цапфе 25 указанной части 23 лопатки, в каждом случае соединен с управляющим кольцом 27. В рассматриваемом случае между соответствующим приводным рычагом 29 и управляющим кольцом 27 образовано шарнирное соединение 35, с помощью которого соответствующий приводной рычаг 29 шарнирно соединен с управляющим кольцом 27.
Как описано выше, один из приводных рычагов, а именно приводной рычаг 29, который прикреплен к опорной цапфе 25 задней части 23 соответствующей направляющей лопатки 21, соединен в каждом случае в области каждой направляющей лопатки 21 с управляющим кольцом 27, причем управляющее кольцо 27 может перемещаться в окружном направлении и в осевом направлении относительно конструкции 26 корпуса, но не может перемещаться в радиальном направлении. Силы в точках соединения управляющего кольца 27 и приводных рычагов 29, шарнирно соединенных с управляющим кольцом 27, направлены перпендикулярно приводным рычагам 29, так что указанные рычаги не подвергаются воздействию паразитных составляющих сил. В результате возможно особо преимущественное поворачивание частей 22, 23 каждой направляющей лопатки 21 относительно друг друга.
На фигурах показаны описываемые приводные рычаги 28, 29, которые служат для поворачивания частей 22, 23 относительно друг друга тех указанных направляющих лопаток 21, которые опосредованно поворачиваются приводным валом. Предпочтительно, приводные рычаги 28, 29 тех направляющих лопаток 21, части которых непосредственно поворачиваются приводным валом, выполнены аналогичным образом.
В области каждой направляющей лопатки 21 тот приводной рычаг, который шарнирно соединен с управляющим кольцом 27 с помощью соответствующего шарнирного соединения 35, выполнен как многоэлементный приводной рычаг. В показанном иллюстративном варианте осуществления изобретения это приводной рычаг 29, с которым соединена опорная цапфа 25 задней части 23 соответствующей направляющей лопатки 21.
Первый сегмент 36 каждого из указанных приводных рычагов 29 жестко соединен с соответствующей частью 23 соответствующей направляющей лопатки 21, а именно соединен с опорной цапфой 25 указанной части 23 лопатки. Второй сегмент 37 указанных приводных рычагов 29 шарнирно соединен с управляющим кольцом 27 с помощью соответствующего шарнирного соединения 35. Кроме того, оба сегмента 36, 37 соответствующих приводных рычагов 29 шарнирно соединены друг с другом.
Другие приводные рычаги 28, которые соединены с соответствующими другими частями 22 соответствующих лопаток 21 или с их опорными цапфами 24, выполнены как цельные рычаги, причем соответствующий соединительный элемент 30 шарнирно соединен с ними с помощью соответствующей оси 31, проходящей параллельно соответствующей оси поворота лопатки.
Соответственно, настоящее изобретение предлагает устройство регулирования направляющих лопаток для кольца 20 направляющих лопаток, направляющие лопатки 21 которого выполнены как многоэлементные части, а именно таким образом, что каждая направляющая лопатка 21 содержит переднюю часть 22 лопатки и заднюю часть 23 лопатки, которые могут поворачиваться относительно друг друга вокруг общей оси поворота направляющей лопатки, причем разделяющая плоскость соответствующих частей 22, 23 лопатки продолжается через указанную ось поворота направляющей лопатки. Приводной рычаг 28 и 29 в каждом случае соответственно соединен с каждой частью 22, 23 каждой направляющей лопатки 21, причем приводные рычаги 28, 29 каждой направляющей лопатки 21 соединены друг с другом с помощью соединительного элемента 30, выполненного как соединительная тяга. Соответствующая соединительная тяга 30 шарнирно соединена в каждом случае с одним из приводных рычагов 28, а именно на оси 31, продолжающейся параллельно оси поворота направляющей лопатки. С помощью оси 32 соответствующая соединительная тяга 30 направляется как в направляющей канавке 33 другого приводного рычага 29, так и в направляющей канавке 34 конструкции 26 корпуса. С помощью указанного соединения приводных рычагов 28, 29 частей 22, 23 каждой направляющей лопатки 21 части 22, 23 каждой направляющей лопатки 21 могут синхронно поворачиваться относительно друг друга. Один из приводных рычагов каждой направляющей лопатки 21 соединен с управляющим кольцом 27, которое расположено на конструкции 26 корпуса с возможностью перемещения в окружном направлении и в осевом направлении. Соответствующий приводной рычаг 29, который соединен с управляющим кольцом 27, прикреплен к нему шарнирно. С помощью приводного вала 38 можно инициировать поворот направляющей лопатки 21, причем направляющая лопатка 21 непосредственно поворачивается приводным валом 38, в то время как другие направляющие лопатки 21 или их части 22, 23 опосредованно поворачиваются приводным валом с помощью управляющего кольца 27.
На фиг. 5-8 показано кольцо 20 направляющих лопаток в различных относительных положениях направляющей лопатки 21 или частей 22, 23 указанной направляющей лопатки. На фиг. 5 направляющие лопатки 21 или части 22, 23 указанных лопаток занимают так называемое положение 90°, в котором поток, проходящий через кольцо 20 направляющих лопаток, является максимально перекрытым. В отличие от этого, на фиг. 6 направляющие лопатки 21 или их части 22, 23 переведены в так называемое положение 0°, в котором поток, проходящий через кольцо 20 направляющих лопаток, является максимально открытым. В рассматриваемом случае на фиг. 6 на поток не оказывают воздействия никакие завихрения. На фиг. 7 и 8 показаны другие относительные положения направляющих лопаток 21 или частей 22, 23 лопаток, где в так называемом положении 45° направляющих лопаток 21 на фиг. 7 так называемое предварительное завихрение и в так называемом положении 30° направляющих лопаток 21 на фиг. 8 так называемое контрзавихрение могут воздействовать на поток, проходящий через кольцо 20 направляющих лопаток.