ТЕПЛОИЗОЛИРУЮЩАЯ КОНСТРУКЦИЯ ДЛЯ КОНСТРУКТИВНОГО ЭЛЕМЕНТА И СПИРАЛЬНАЯ КОНСТРУКЦИЯ
HEAT-INSULATING STRUCTURE FOR STRUCTURAL ELEMENT AND HELICAL STRUCTURE

Область техники
Изобретение относится к теплоизолирующей конструкции для конструктивного элемента, а также к спиральной конструкции, размещаемым в турбине, такой как паровая турбина или газовая турбина, которую используют в роторной машине.
Уровень техники
Говоря в общих чертах, спиральная конструкция, используемая в турбине, представляет собой конструктивный элемент, установленный перед первой статорной лопаткой (со стороны подачи рабочей текучей среды) или позади последней роторной лопатки (со стороны выпуска рабочей текучей среды) в турбине, в которой в качестве рабочей текучей среды используется высокотемпературный пар или газ. Рабочая текучая среда протекает через эту спиральную конструкцию, которая изготовлена, как правило, путем сварки листового металла или путем литья.
В случае спиральной конструкции, через которую протекает нагретая рабочая текучая среда, внешнюю периферическую поверхность этой конструкции принято омывать охлаждающей текущей средой, снижающей температуру спиральной конструкции. Это необходимо делать в целях поддержания надлежащей прочности материала спиральной конструкции.
Чтобы спиральная конструкция не нагревалась, а также не поглощала и не излучала тепло, передаваемое протекающей через нее рабочей текучей средой, в уровне техники принято использовать теплоизолирующую конструкцию. Из уровня техники известно применение теплоизолирующего материала, прикрепляемого изнури конструктивного элемента для предотвращения теплопередачи (см., например, японскую заявку на изобретение, в отношении которой не проводилась экспертиза; публикация №Н9-14576).
Однако согласно упомянутой заявке №Н9-14576 данную теплоизолирующую конструкцию не предполагается выполнять в трехмерной форме, подобно спиральной конструкции, поскольку в этом случае возникает проблема, заключающаяся в сложности изготовления такой теплоизолирующей конструкции.
Согласно вышеупомянутой теплоизолирующей конструкции внешний кожух, образующий конструктивный элемент, и внутренняя стенка, посредством которой теплоизоляционный материал прижимается к внешнему кожуху, скреплены друг с другом. Это значит, если внешний кожух и внутренняя стенка характеризуются различными показателями теплового расширения, разность между их тепловыми расширениями не будет компенсироваться, и возникнет опасность повреждения теплоизолирующей конструкции.
Поскольку теплоизолирующий материал располагают между полками, прикрепленными к внешнему кожуху посредством сварки, возникает проблема, заключающаяся в том, что указанные полки необходимо размещать таким образом, чтобы в результате образовывалась теплоизолирующая конструкция.
Толщина данной теплоизолирующей конструкции определяется высотой указанных полок, а следовательно, возникает дополнительная проблема, состоящая в сложности регулировки толщины теплоизолирующей конструкции.
Если для снижения температуры спиральной конструкции используется охлаждающая текучая среда, возникает необходимость в конструировании отдельной системы для подачи этой охлаждающей среды. В качестве охлаждающей текучей среды зачастую используют отработанную текучую среду, однако при этом в случае турбины, содержащей упомянутую спиральную конструкцию, или в случае установки, содержащей такую турбину, существует проблема снижения производительности, хотя производительность может различаться в зависимости от температурных условий или типа конструкции.
Если теплоизолирующая конструкция предусмотрена на внутренней поверхности спиральной конструкции, части теплоизолирующей конструкции могут отслаиваться, падать и переноситься потоком рабочей текучей среды к лопаткам турбины, расположенным ниже по потоку, в результате чего роторные и статорные лопатки могут быть повреждены. Кроме того, из-за эрозии может уменьшаться толщина трубы.
Сущность изобретения
Настоящее изобретение направлено на решение вышеупомянутых проблем, поэтому задача изобретения состоит в создании теплоизолирующей конструкции для конструктивного элемента, а также в создании спиральной конструкции, которые удобно использовать даже в отношении конструктивных элементов, выполненных за одно целое, и которые обеспечивают надежность системы и хорошие теплоизолирующие свойства.
Для достижения вышеуказанных целей в настоящем изобретении предложены следующие решения.
Согласно настоящему изобретению предложена теплоизолирующая конструкция для конструктивного элемента, содержащая: крепежную часть, проходящую в радиальном направлении от внешней стенки конструктивного элемента; прижимную пластину, присоединенную к указанной крепежной части с образованием пространства между прижимной пластиной и внешней стенкой; теплоизолирующий элемент, расположенный между внешней стенкой и прижимной пластиной.
Согласно настоящему изобретению теплоизолирующий элемент расположен снаружи конструктивного элемента, между внешней стенкой конструктивного элемента и прижимной пластиной. В результате, присоединять теплоизолирующую конструкцию становится гораздо проще по сравнению со случаем, при котором теплоизолирующую конструкцию размещают внутри конструктивного элемента. Кроме того, поскольку рабочая текучая среда, протекающая через спиральную конструкцию, не соприкасается с теплоизолирующей конструкцией, предотвращается отпадание теплоизолирующей конструкции, вызванное действием потока рабочей текучей среды.
Расстояние между прижимной пластиной и внешней стенкой конструктивного элемента регулируется изменением положения прижимной пластины относительно крепежной части. Данное обстоятельство облегчает регулировку толщины теплоизолирующей конструкции.
В качестве примера конструктивного элемента можно указать спиральную конструкцию, входящую в состав турбины, такой как паровая турбина или газовая турбина, используемая в роторной машине.
В соответствии с предпочтительным вариантом предложенной теплоизолирующей конструкции в ней предусмотрена регулировочная часть, расположенная между внешней стенкой и прижимной пластиной и предназначенная для задания пространства между внешней стенкой и прижимной пластиной за счет удерживания прижимной пластины на расстоянии от внешней поверхности указанной стенки.
При такой конфигурации упрощается задание расстояния между внешней стенкой и прижимной пластиной, а следовательно, облегчается регулировка толщины теплоизолирующей конструкции. Расстояние между внешней стенкой и прижимной пластиной легко задать следующим образом: на внешней стенке конструктивного элемента размещают регулировочную часть; снаружи регулировочной части предусматривают прижимную пластину; вводят прижимную пластину в упор с регулировочной частью.
За счет использования группы одинаковых регулировочных частей расстояния между прижимными пластинами и внешней стенкой можно задавать одинаковым образом в местах расположения этих регулировочных частей.
В предпочтительном случае заявленная теплоизолирующая конструкция дополнительно содержит группу прижимных пластин, конфигурация каждой из которых идентична конфигурации указанной прижимной пластины, причем эти прижимные пластины установлены таким образом, что их концы находятся на расстоянии друг от друга и выполнены с возможностью смещения относительно друг друга в направлении, в котором проходят указанные прижимные пластины.
Благодаря такой конструкции, если прижимные пластины характеризуются разными показателями теплового расширения, различие в этих показателях компенсируется за счет указанных мест, где концы прижимных пластин находятся на расстоянии друг от друга.
Кроме того, если разными показателями теплового расширения характеризуются конструктивный элемент и прижимная пластина, различие в этих показателях компенсируется за счет участка перекрытия прижимных пластин.
В предпочтительном случае заявленная теплоизолирующая конструкция дополнительно содержит разделительную пластину, проходящую в радиальном направлении от внешней стенки конструктивного элемента.
При такой конфигурации, поскольку теплоизолирующий элемент размещен в пространстве, ограниченном разделительной пластиной, не происходит смещения и отхода теплоизолирующего элемента под действием его собственного веса.
Также, в изобретении предложена спиральная конструкция, содержащая: спиральную камеру, имеющую канал, через который рабочая текучая среда поступает внутрь этой камеры; описанную выше теплоизолирующую конструкцию.
Благодаря принципам настоящего изобретения становится возможным предотвратить отпадание теплоизолирующей конструкции. Это значит, что изобретение обеспечивает надлежащие надежностные и теплоизолирующие свойства спиральной конструкции. Кроме того, в силу того, что изобретение облегчает регулировку толщины теплоизолирующей конструкции, теплоизолирующие свойства спиральной конструкции становится возможным улучшить еще больше.
Согласно предложенным теплоизолирующей конструкции, предназначенной для конструктивного элемента, и спиральной конструкции теплоизолирующий элемент предполагается размещать снаружи конструктивного элемента, между внешней стенкой спиральной конструкции и прижимной пластиной. Таким образом, достигается новый технический результат, заключающийся в облегчении использования теплоизолирующей конструкции и спиральной конструкции даже в отношении конструктивных элементов, выполненных за одно целое, при этом обеспечиваются надежность системы и хорошие теплоизолирующие свойства.
Краткое описание чертежей
Фиг.1 схематически иллюстрирует конфигурацию всей газовой турбины, соответствующую одному из вариантов изобретения.
Фиг.2 в аксонометрии иллюстрирует конфигурацию изображенной на фиг.1 впускной спиральной части, показанную со стороны турбинной части.
Фиг.3 в сечении иллюстрирует спиральную камеру и теплоизолирующую конструкцию, показанные на фиг.2.
Фиг.4 схематически иллюстрирует основную конфигурацию теплоизолирующей конструкции, показанной на фиг.3.
Фиг.5 схематически иллюстрирует теплоизолирующую конструкцию, показанную на фиг.3.
Предпочтительный вариант выполнения изобретения
Далее со ссылкой на фиг.1-5 описаны теплоизолирующая конструкция и газовая турбина, оснащенная спиральной конструкцией, выполненные согласно принципам настоящего изобретения.
Фиг.1 схематически иллюстрирует конфигурацию всей газовой турбины, соответствующей одному из вариантов изобретения.
Как следует из фиг.1, газовая турбина 1 содержит кожухи 2А, 2В и 2С, определяющие ее наружную форму; турбинную часть 3, которая преобразует воздействие подаваемой рабочей текучей среды во вращательную движущую силу; вращательный вал 4, который приводится во вращение вокруг оси L под действием турбинной части 3; впускную спиральную часть (конструктивный элемент) 5, которая направляет рабочую текучую среду в турбинную часть 3; выпускную спиральную часть (конструктивный элемент) 6, в которую протекает рабочая текучая среда, выпущенная из турбинной части 3.
Как показано на фиг.1, кожухи 2А и 2С вместе с кожухом 2 В определяют наружную форму газовой турбины 1. Турбинная часть 3, вращательный вал 4, впускная спиральная часть 5 и выпускная спиральная часть 6 размещены в кожухах 2А и 2С. Каждый из кожухов 2А и 2С представляет собой по существу цилиндрический элемент, один торец которого закрыт. Говоря другими словами, кожухи представляют собой цилиндрические элементы, снабженные дном, т.е. так называемые горшкообразные элементы. Кожухи 2А и 2С расположены так, что их открытые торцы обращены друг к другу, при этом кожух 2В размещен между ними, а кожухи 2А и 2С скреплены друг с другом.
В закрытых торцах кожухов 2А и 2С предусмотрено сквозное отверстие 7, в которое вставлен вращательный вал 4. В цилиндрических поверхностях кожухов 2А и 2С выполнено отверстие 8, в которое вставлена труба, обеспечивающая втекание и вытекание рабочей текучей среды.
Из фиг.1 видно, что кожух 2В удерживает на себе турбинную часть 3 и определяет вместе с кожухами 2А и 2С внешнюю форму газовой турбины 1.
Кожух 2В по существу представляет собой дискообразный элемент, проходящий в радиальном направлении от оси L вращения. Он размещен между кожухами 2А и 2С.
Как показано на фиг.1, турбинная часть 3 создает вращательную движущую силу под действием рабочей текучей среды, подаваемой из впускной спиральной части 5, и приводит во вращение вращательный вал 4.
Турбинная часть 3 может иметь любую известную конструкцию, т.е. конструкция турбинной части 3 не ограничивает объем правовой охраны изобретения.
Как следует из фиг.1, вращательный вал 4 приводится в действие турбинной частью 3 и вращается вокруг оси L.
Согласно фиг.1 рабочая текучая среда протекает через впускную спиральную часть 5 и выпускную спиральную часть 6. Рабочая текучая среда поступает в турбинную часть 3 через впускную спиральную часть 5, а рабочая текучая среда, выпущенная из турбинной части 3, переходит в выпускную спиральную часть 6. Поскольку конфигурации впускной спиральной части 5 и выпускной спиральной части 6 являются по существу идентичными, в данной заявке описана только впускная спиральная часть 5, тогда как описание выпускной спиральной части 6 опущено.
Фиг.2 в аксонометрии иллюстрирует конфигурацию изображенной на фиг.1 впускной спиральной части, показанную со стороны турбинной части. Фиг.3 в сечении иллюстрирует спиральную камеру и теплоизолирующую конструкцию, показанные на фиг.2.
Как следует из фиг.2 и 3, впускная спиральная часть 5 содержит спиральную камеру 21, определяющую внешнюю форму впускной спиральной части 5, а также теплоизолирующую конструкцию 51.
Согласно фиг.1 и 2 спиральная камера 21 целиком выполнена в кольцевой форме и в своей центральной части имеет отверстие, через которое вставлен вращательный вал 4. Как показано на фиг.1, в спиральной камере 21 предусмотрены кольцевой канал (канал) 31, проходящий кольцом вокруг оси L вращения, и цилиндрический канал (канал) 32, проходящий от кольцевого канала 31 к турбинной части 3 вдоль оси L вращения.
Как показано на фиг.2, на внешней стенке спиральной камеры 21 предусмотрены ребра 21А, обеспечивающие прочность этой камеры 21. Ребра 21А проходят в радиальном направлении в пределах той части спиральной камеры 21, которая образует кольцевой канал 31.
Ребра 21А обеспечивают прочность спиральной камеры 21 и также предотвращают смещение теплоизолирующего элемента 56 в теплоизолирующей конструкции 51.
Фиг.4 схематически иллюстрирует основную конфигурацию теплоизолирующей конструкции, показанной на фиг.3. Фиг.5 схематически иллюстрирует теплоизолирующую конструкцию, показанную на фиг.3.
Как следует из фиг.3-5, теплоизолирующая конструкция 51 расположена на внешней стенке спиральной камеры 21 и предназначена для предотвращения теплообмена между рабочей текучей средой, протекающей через спиральную камеру 21, и средой, находящейся за пределами спиральной камеры 21. Говоря другими словами, теплоизолирующая конструкция 51 блокирует теплопередачу.
Как показано на фиг.4, теплоизолирующая конструкция 51 содержит выступ (крепежную часть) 52, проходящий в радиальном направлении от внешней стенки спиральной камеры 21; резьбовую шпильку (крепежную часть) 53, прикрепленную к выступу 52; регулировочную трубку (регулировочную часть) 54, охватывающую периферическую поверхность резьбовой шпильки 53 и проходящую в радиальном направлении; прижимную пластину 55, удерживаемую регулировочной трубкой 54 и проходящую вдоль спиральной камеры 21; теплоизолирующий элемент 56, расположенный между спиральной камерой 21 и прижимной пластиной 55; разделительную пластину 57, проходящую в радиальном направлении от спиральной камеры 21.
Выступ 52 удерживает на себе прижимную пластину 55 вместе с резьбовой шпилькой 53 и регулировочной трубкой 54. Выступ 52 выдается в радиальном направлении на расстояние, измеряемое от внешней стенки спиральной камеры 21.
Выступ 52 имеет резьбовое отверстие, в которое вставлена резьбовая шпилька 53.
Резьбовая шпилька 53 скрепляет прижимную пластину 55 с выступом 52 и регулировочной трубкой 54. В качестве резьбовой шпильки 53 может быть использован болт, известный из уровня техники. Это значит, что вид резьбовой шпильки не ограничивает объем правовой охраны изобретения.
Регулировочная трубка 54 скрепляет прижимную пластину 55 с выступом 52 и резьбовой шпилькой 53, а также регулирует расстояние между спиральной камерой 21 и прижимной пластиной 55. Регулировочная трубка 54 имеет по существу форму цилиндра, в который вставлена резьбовая шпилька 53. Один конец регулировочной трубки 54 примыкает к выступу 52, а другой конец примыкает к прижимной пластине 55.
Прижимная пластина 55 размещена между гайкой, навинченной на конец резьбовой шпильки 53, и торцом регулировочной трубки 54. Таким образом обеспечивается удержание прижимной пластины 55.
Как следует из фиг.2-4, прижимная пластина 55 действует в качестве крышки, ограничивающей между собой и спиральной камерой 21 пространство, в котором размещен теплоизолирующий элемент 56. Прижимная пластина 55 прижимает этот теплоизолирующий элемент 56 к спиральной камере 21.
Прижимная пластина 55 представляет собой по существу плоский пластинчатый элемент, проходящий вдоль спиральной камеры 21. Прижимные пластины 55 размещены относительно изогнутой поверхности спиральной камеры 21 таким образом, что между ними образованы разделительные участки 58, расположенные на заданном расстоянии друг от друга. Разделительные участки 58 предусмотрены не только между прижимными пластинами 55, но и между прижимной пластиной 55 и ребром 21А, а также между прижимной пластиной 55 и разделительной пластиной 57.
Если показатели теплового расширения спиральной камеры 21 и прижимной пластины 55 отличаются от друг друга, то разделительный участок 58, имеющий заданную ширину, может компенсировать различие между этими показателями. Говоря другими словами, разделительный участок 58 представляет собой предварительно заданное расстояние, посредством которого может быть скомпенсировано тепловое расширение прижимной пластины 55.
В случае предложенной конфигурации, если показатели теплового расширения различных прижимных пластин 55 отличаются друг от друга, несоответствие этих показателей может быть скомпенсировано за счет разделительных участков 58, образованных между указанными прижимными пластинами 55. Кроме того, если друг от друга отличаются показатели теплового расширения спиральной камеры 21 и прижимной пластины 55, разница в этих показателях теплового расширения также может быть компенсирована разделительными участками 58.
Прижимные пластины 55 снабжены соединительными пластинами 59, размещаемыми поверх разделительных участков 58. Как для примера показано на фиг.5, каждая из соединительных пластин 59 установлена таким образом, что один ее конец 59А приварен к соответствующей, расположенной рядом прижимной пластине 55, а другой ее конец 59В может смещаться относительно другой прижимной пластины 55 в направлении теплового расширения пластины.
Как следует из фиг.3-5, теплоизолирующий элемент 56 расположен между спиральной камерой 21 и прижимной пластиной 55 и предотвращает теплообмен между рабочей текучей средой, протекающей через спиральную камеру 21, и средой, находящейся снаружи спиральной камеры 21.
Как показано на фиг.5, в качестве теплоизолирующего элемента 56 используются листовой теплоизолирующий элемент 56А и насыпной (например, хлопьеобразный) теплоизолирующий элемент 56В.
Теплоизолирующий элемент 56А используется в зоне, в которой спиральная камера 21 имеет относительно ровную форму, причем теплоизолирующие элементы 56А используются уложенными слоями.
Теплоизолирующий элемент 56 В имеет хлопьеобразную форму и используется в зоне, в которой поверхность спиральной камеры 21 имеет изогнутую форму, или в концевой зоне, т.е. там, где затруднено использование листового теплоизолирующего элемента 56А.
Теплоизолирующий элемент 56А может быть расположен в зоне, показанной на фиг.5, границы которой конкретно не ограничены. Например, оба конца теплоизолирующего элемента 56А могут достигать участков, обозначенных на чертеже пунктирными линиями.
Как показано на фиг.3-5, разделительная пластина 57 представляет собой пластинчатый элемент, проходящий в радиальном направлении от спиральной камеры 21, причем разделительная пластина 57 ограничивает пространство, в котором расположен теплоизолирующий элемент 56.
В некоторых случаях разделительная пластина 57 может быть использована вместе с ребрами 21А, так что в некоторых случаях нет необходимости различать между собой разделительные пластины 57 и ребра 21А.
Далее поясняется функционирование газовой турбины 1, имеющей вышеописанную конструкцию.
Согласно фиг.1 рабочая текучая среда, нагретая до высокой температуры в высокотемпературной газовой печи, протекает во впускную спиральную часть 5 газовой турбины 1. Затем рабочая текучая среда, поступившая во впускную спиральную часть 5, протекает в кольцевой канал 31 и течет в цилиндрический канал 32 по существу с одинаковой в окружном направлении скоростью. Рабочая текучая среда, поступившая в цилиндрический канал 32, проходит в турбинную часть 3 и течет по ней.
Как следует из фиг.1, в турбинной части 3 вращается роторная лопатка, приводимая во вращение рабочей текучей средой, протекающей в турбинной части 3, при этом вращательная движущая сила, создаваемая роторной лопаткой, передается вращательному валу 4. Затем рабочая текучая среда, температура которой снизилась в результате отдачи усилия вращения турбинной части 3, выпускается из части 3.
Как видно из фиг.1, рабочая текучая среда, выпущенная из турбинной части 3, протекает в цилиндрический канал 32 выпускной спиральной части 6, и протекает в кольцевой канал 31. Рабочая текучая среда, поступившая в кольцевой канал 31, выходит из выпускной спиральной части 6, т.е. из газовой турбины 1, и снова вводится в высокотемпературную газовую печь через соответствующую систему.
Согласно вышеупомянутой конструкции теплоизолирующие элементы 56А и 56В находятся снаружи спиральной камеры 21, они размещены между ее внешней стенкой и прижимной пластиной 55. Таким образом, по сравнению со случаем, в котором теплоизолирующая конструкция 51 расположена внутри спиральной камеры 21, в данном случае размещать теплоизолирующую конструкцию 51 становится проще. Кроме того, рабочая текучая среда, протекающая через спиральную камеру 21, не соприкасается с теплоизолирующей конструкцией 51. Данное обстоятельство позволяет не допустить отпадания теплоизолирующей конструкции 51, вызываемого действием потока рабочей текучей среды. В результате, применять предложенную теплоизолирующую конструкцию становится проще даже в отношении спиральной камеры 21, выполненной за одно целое, при этом она позволяет обеспечить надлежащие прочностные и теплоизолирующие свойства системы.
Расстояние между прижимной пластиной 55 и внешней стенкой спиральной камеры 21 можно регулировать путем изменения положения прижимной пластины 55 относительно резьбовой шпильки 53. Таким образом, упрощается регулировка толщины теплоизолирующей конструкции 51.
Изменять расстояние между прижимной пластиной 55 и внешней стенкой спиральной камеры 21 удобно при помощи регулировочной трубки 54. Благодаря этому можно существенно упростить регулировку толщины теплоизолирующей конструкции 51.
Расстояния между прижимными пластинами 55 и внешней стенкой спиральной камеры 21 в месте, где расположены регулировочные трубки 54, можно легко задавать одинаковыми благодаря использованию группы одинаковых регулировочных трубок 54.
Поскольку теплоизолирующие элементы 56А и 56В размещаются в пространстве, ограниченном разделительной пластиной 57, становится возможным не допустить смещения и отхода теплоизолирующих элементов 56А и 56В под действием их собственного веса.
Объем правовой охраны изобретения не ограничивается представленным вариантом его выполнения. Напротив, в представленный вариант могут быть внесены различные изменения, не отклоняющиеся от сущности данного изобретения.
В частности, несмотря на то, что данное изобретение рассмотрено на примере его использования в отношении осевой турбины, оно может быть применено и к другим типам турбин, таким как центробежная турбина и диагональная турбина.
Изобретение также можно применять в отношении газовых турбин других типов, например, в отношении газовой турбины, в которой в качестве рабочей текучей среды использован воздух, а в качестве источника тепла - энергия сгорания топлива. Кроме того, изобретение можно применять не только в отношении машин, использующих текучую среду (таких как паровая турбина), но и в отношении других конструктивных элементов, в которых необходимо использовать теплоизолирующую конструкцию. Это значит, что конкретный вид конструктивного элемента не ограничивает объем правовой охраны настоящего изобретения.