Турбомашина с охлаждаемым защитным ограждением для соединения
TURBOMACHINE WITH COOLED COUPLING GUARD

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Предложенное изобретение относится к защитному ограждению для соединения для вращающегося элемента турбомашины.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Хорошо известно применение продувки воздухом или азотом защитного ограждения для соединения, чтобы избежать протекания масла в указанное защитное ограждение соединения. Одна из таких систем, например, описана в патенте США №6474934.
Однако известные системы продувки не всегда успешны, чтобы гарантировать правильный поток для поддержания температуры поверхностного слоя защитного ограждения для соединения ниже допустимых значений и, кроме того, чтобы избежать протекания масла с концов вала. Такие проблемы обычно решаются путем увеличения общих размеров защитного ограждения соединения и добавлением ограждений от масла, например, включением уплотнений на концах вала. Такие решения, однако, показали, что они являются экспериментальным и ошибочным подходом, который в некоторых случаях не позволяет поддерживать температуру поверхностного слоя ниже 150°С и не может успешно остановить протекание масла. Кроме того, геометрические ограничения не всегда обеспечивают возможность модификации общих размеров защитных ограждений для соединений или добавления защитных ограждений от масла.
Таким образом, требуется модифицировать известные системы продувки для достижения приемлемой температуры поверхностного слоя защитного ограждения для соединения, в то же время, избегая протекания масла с концов вала, и без модификации общих размеров защитного ограждения для соединения или добавления ограждений от масла.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Согласно первому варианту, предложенное изобретение достигает указанной цели путем создания вращающейся машины, содержащей вращающийся элемент и защитное ограждение для соединения, которое содержит:
- кожух, окружающий вращающийся элемент,
- камеру, расположенную в кожухе,
- по меньшей мере нагнетательную трубу для нагнетания охлаждающего газа и выпускное отверстие для выпуска охлаждающего газа, так что вращение вращающегося элемента обеспечивает прохождение охлаждающего газа через нагнетательную трубу в указанную камеру и охлаждающий газ циркулирует через указанную камеру, по существу, по окружности или по спирали для охлаждения кожуха перед выходом через выпускное отверстие;
при этом нагнетательная труба проходит радиально через указанную камеру от первого отверстия, расположенного вблизи указанного кожуха, до второго отверстия, расположенного вблизи указанного вращающегося элемента, причем нагнетательная труба имеет переднюю кромку, которая первая контактирует с газом, циркулирующим в указанной камере, и заднюю кромку, противоположную передней кромке, при этом указанное второе отверстие имеет первую часть, ориентированную, по существу, тангенциально и по существу параллельно направлению циркуляции охлаждающего газа, и вторую часть, ориентированную, по существу, радиально и по существу ортогонально направлению циркуляции охлаждающего газа.
Первая часть обращена в направлении, совпадающем с направлением охлаждающего газа.
Форма нагнетательных труб, вместе с их длиной и положением внутри кожуха, создает небольшое изменение давления в самой трубе для обеспечения возможности протекания охлаждающего газа (например, атмосферного воздуха или азота) в указанную камеру защитного ограждения для соединения. Это позволяет поддерживать температуру поверхностного слоя кожуха ниже 100°С.
Дальнейшим преимуществом настоящего изобретения является тот факт, что охлаждающий поток газа создает также внутреннее избыточное давление внутри указанной камеры защитного ограждения, которое препятствует протеканию масла с концов вала.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Другие признаки и преимущества предложенного изобретения станут очевидны из следующего описания вариантов выполнения изобретения, рассмотренного вместе со следующими чертежами, на которых:
на фиг. 1 показан продольный разрез защитного ограждения для соединения согласно предложенному изобретению;
на фиг. 2 показан поперечный разрез защитного ограждения для соединения, показанного на фиг. 1;
на фиг. 3 показан подробный вид части III, изображенной на фиг. 2;
на фиг. 4 показано сечение вида сбоку части, показанной на фиг. 3;
на фиг. 5 показан схематический поперечный разрез части, показанной на фиг. 3.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ НЕКОТОРЫХ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ВЫПОЛНЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Как показано на приложенных чертежах, вращающийся элемент 15, имеющий ось Y вращения, заключен в защитное ограждение 1 для соединения, содержащее кожух 11 и камеру 25, расположенную в кожухе 11 вокруг элемента 15.
Вращающийся элемент 15 включает центральный вал 15а и пару поперечных дисков 15b, с. Согласно другим вариантам изобретения, не показанным на чертежах, элемент 15 может иметь любую другую, отличную конфигурацию.
Кожух 11 включает нижнюю полуцилиндрическую часть 11а и верхнюю полуцилиндрическую часть 11b. Нижняя и верхняя части 11а, b контактируют друг с другом и соединены вместе вдоль горизонтальной плоскости, в которой расположена ось Y вращения.
Защитное ограждение 1 содержит одну или более нагнетательных труб 12 (в варианте на фиг. 1 показаны три нагнетательные трубы) для нагнетания охлаждающего газа и одно или более выпускных отверстий 13 (в варианте на фиг. 2 показано одно выпускное отверстие 13) для выпуска охлаждающего газа, так что во время работы вращение вращающегося элемента 15 вокруг оси Y обеспечивает протекание охлаждающего газа через каждую нагнетательную трубу 12 в камеру 25. Верхняя полуцилиндрическая часть 11b имеет внутреннее радиальное ребро 20, расположенное, ниже по течению, относительно вращательного движения R вращающегося элемента 15 (по часовой стрелке на фиг. 2), от выпускного отверстия 13. Охлаждающий газ циркулирует через камеру 25 для охлаждения кожуха 11 перед выпуском через выпускные отверстия 13, чему способствует наличие ребра 20.
Каждая труба 12 установлена на верхней части 11b кожуха 11 таким образом, что она проходит через камеру 25 от первого осевого кругового отверстия 31, расположенного вблизи кожуха 11, до второго осевого отверстия 32, расположенного вблизи вращающегося элемента 15. Второе осевое отверстие 32 предпочтительно находится как можно ближе к элементу 15 для максимизации потока внутри нагнетательных труб 12 благодаря эффекту попутного потока, создаваемого вращением элемента 15.
Каждая труба 12 ориентирована относительно вращательного движения R вращающегося элемента 15 вокруг оси Y таким образом, что труба 12 имеет переднюю кромку 41, которая первой вступает в контакт с газом, циркулирующим в камере 25, и заднюю кромку 42, противоположную передней кромке 41, при этом второе осевое отверстие 32 имеет первую круговую осевую часть 32а, ортогональную оси X трубы 12, и вторую, поперечную часть 32b, проходящую через заднюю кромку 42. Длину передней кромки 41 выбирают относительно диаметра трубы 12 таким образом, чтобы площадь передней части составляла от 0,5 до 1,5 площади поперечного сечения наружного размера трубы 12. Диаметр и толщину трубы 12 выбирают так, чтобы площадь поперечного сечения наружного размера трубы 12 не позволяла потоку охлаждающего газа в трубе 12 достигать скорости более 50 м/с.
Вторая поперечная часть 32b ограничена первой круговой осевой частью 32а, верхней кромкой 34с, имеющей дуговую форму и параллельной первой круговой осевой части 32а, и двумя поперечными открытыми кромками 34а, 34b, проходящими от первой части 32а в сторону к первому осевому отверстию 31 до верхней кромки 34с. Две поперечные кромки 34а, 34b параллельны оси X нагнетательной трубы 12 и отстоят друг от друга на угол А раскрытия вокруг оси X, значение которого находится между 90° и 180°.
Более конкретно, угол А раскрытия имеет значение между 140° и 160°.
Благодаря форме трубы 12 и, в частности, второго осевого отверстия 32, газ, циркулирующий в камере 25, когда элемент 15 вращается вокруг оси Y, следует по пути (который представлен на фиг. 4 стрелкой F1), который пересекает первую и вторую части 32а, b второго осевого отверстия 32 последовательно. Это обеспечивает эффект создания небольшого изменения давления по трубе 12 для обеспечения возможности протекания охлаждающего газа через трубу 12 по второму пути (который представлен на фиг. 4 и 5 стрелками F2). Второй путь F2 входит в первое осевое отверстие 31 в радиальном направлении и выходит из второй части 32b второго отверстия 32 в окружном направлении, ортогонально поперечным кромкам 34а, 34b.
Каждая нагнетательная труба 12 расположена на верхней полуцилиндрической части 11b кожуха 11. Полагая, что верхняя часть поверхностного слоя защитного ограждения 1 является самой горячей частью поверхностного слоя указанного ограждения 1, труба 12 отстоит относительно вертикальной плоскости, в которой расположена ось вращения Y элемента 15, на позиционирующий угол В, который больше 10°, но меньше 90°. В частности, угол В меньше 45°.
Когда общие размеры защитного ограждения 1 и рабочие условия вращающихся частей таковы, что газ, циркулирующий в камере 25, достигает турбулентного состояния, согласно возможным вариантам выполнения настоящего изобретения, один или более экранов 26 прикреплены к внутренней стороне кожуха 11 для создания вокруг элемента 15 вращающихся объемов малой толщины. Эффект состоит в том, что уменьшается коэффициент трения, благодаря уменьшенному расстоянию между роторным и статорным граничными слоями. Уменьшение коэффициента трения вызывает уменьшение выделения тепла и, следовательно, уменьшает температуру поверхностного слоя защитного ограждения соединения.
В варианте на фиг. 1 и 5 экран 26 содержит цилиндрическую панель 27 вокруг вала 15а и две кольцевые плоские панели 26b, 26с, соответственно, рядом с дисками 15b, 15с. Панель 27 имеет нижнюю полуцилиндрическую часть 27а и верхнюю полуцилиндрическую часть 27b. Нижняя и верхняя части 27а,b контактируют друг с другом и соединены вместе вдоль горизонтальной плоскости, в которой расположена ось вращения Y.
Вообще, для всех вариантов выполнения, между каждым компонентом вращающегося элемента 15 и экраном 26 должно быть обеспечено расстояние от 1 до 50 мм для гарантирования нахождения роторного граничного слоя как можно ближе к условию соприкосновения со статорным граничным слоем.