Устройство для регулирования радиального зазора

Полезная модель относится к устройствам для регулирования радиального зазора между ротором и статором турбомашины и может быть использована в конструкциях высокотемпературных газовых турбин и компрессоров.
Для исключения возможности касания статора и ротора турбины необходимо наличие радиального зазора (РЗ) между ними, величина которого должна быть минимальна, так как определяет расход газа, перетекающего через вышеуказанный зазор в осевом направлении и через торец лопатки со стороны корыта на ее спинку. Этот газ не участвует в создании полезной работы и ухудшает охлаждение верхних сечений лопатки, поэтому уменьшение РЗ способствует повышению коэффициента полезного действия турбины и уменьшения удельного расхода топлива.
Исходя из конструктивных и технологических возможностей, выбор проектной величины РЗ на крейсерском режиме обусловлен отклонениями соосности ротора и статора, податливостью в подвеске подшипников и возможными различиями в тепловом расширении ротора и статора. Также при выборе величины минимально необходимого РЗ должны учитываться следующие факторы:
- производственные допуски на изготовление деталей турбины и эксцентриситет ротора;
- изгиб ротора при работе за счет номинального дисбаланса;
- маневренные нагрузки, приводящие к деформациям деталей;
- возможность запуска двигателя через 1-2 часа после выключения с учетом "термического изгиба ротора". Этот эффект имеет место из-за диаметрального термического градиента - накапливания оставшегося в роторных деталях тепла.
Еще одной особенностью является общая тенденция к увеличению радиального зазора в процессе эксплуатации двигателя. Причиной этого являются полетные нагрузки, приводящие к деформации за счет ползучести материала и эрозии деталей от частиц пыли, находящихся в воздухе.
При этом изменение величины РЗ неравномерно по окружности, особенно в процессе эксплуатации, в основном, вследствие неравномерного прогрева корпусных деталей создает дополнительные трудности регулирования зазора.
Наибольшая точность обеспечения минимально допустимого РЗ на каждом режиме работы двигателя возможна только при создании системы регулирования с обратной связью, когда воздействие на РЗ управляющим элементом осуществляется по результатам измерения РЗ по окружности корпуса турбины соответствующими датчиками.
Известно устройство для регулирования радиального зазора между ротором и статором турбомашины (RU 2017137183, опуб. 23.04.2019), содержащее надроторную вставку и силовые агрегаты, кинематически связанные с надроторной вставкой, при этом надроторная вставка состоит из секций, а каждый силовой агрегат содержит шток.
Недостатком известного устройства является сложность конструкции его силовых агрегатов.
Известно устройство для регулирования радиального зазора между ротором и статором турбомашины (RU 87213, 2009), содержащее надроторную вставку и силовой агрегат, кинематически связанный с надроторной вставкой, при этом внутренняя поверхность надроторной вставки образует коническую поверхность.
В известном техническом решении изменение радиального зазора осуществляется за счет осевого перемещения надроторной вставки одинаково по всей окружности и не может компенсировать различие в отклонении РЗ, вызванное отклонением формы внутренней поверхности надроторной вставки от цилиндрической из-за неравномерного прогрева или иных причин, вызывающих неравномерное изменение РЗ.
Наиболее близким аналогом к предлагаемой полезной модели является устройство для регулирования радиального зазора между ротором и статором турбомашины (RU 168262, 2017), содержащее надроторную вставку, управляющее кольцо, кинематически связанное с надроторной вставкой, и по меньшей мере три силовых агрегата, шарнирно связанных с управляющим кольцом, при этом надроторная вставка состоит из секций, частично входящих друг в друга и последовательно расположенных таким образом, что их внутренняя поверхность образует поверхность, концентричную поверхности, описываемой торцами лопаток, а каждый силовой агрегат содержит шток.
Недостатком известного устройства является сложность его конструкции, обусловленная необходимостью применения силовых агрегатов большой мощности, поскольку штоки последних перемещаются под углом к потоку газа, затрачивая тем самым усилия, зависящие от силы давления газа, а количество силовых агрегатов должно быть равно количеству секций надроторной вставки.
Кроме того, известное устройство не позволяет регулировать радиальный зазор локально по окружности, а секции надроторной вставки установлены с зазором относительно друг друга, что приводит к потерям давления и увеличению утечек газа.
Техническая проблема, на решение которой направлена заявленная полезная модель, заключается в упрощении конструкции технических средств для регулирования радиального зазора между ротором и статором турбомашины.
Техническим результатом, достигаемым при осуществлении заявленной полезной модели, является уменьшение усилий, затрачиваемых на перемещение надроторной вставки, регулирующей радиальный зазор.
Заявленный технический результат достигается за счет того, что устройство для регулирования радиального зазора между ротором и статором турбомашины содержит надроторную вставку, управляющее кольцо, кинематически связанное с надроторной вставкой, и по меньшей мере три силовых агрегата, шарнирно связанных с управляющим кольцом, при этом надроторная вставка состоит из секций, частично входящих друг в друга и последовательно расположенных таким образом, что их внутренняя поверхность образует поверхность, концентричную поверхности, описываемой торцами лопаток, а каждый силовой агрегат содержит шток, причем управляющее кольцо выполнено неразъемным и установлено с возможностью перемещения и наклона относительно продольной оси турбомашины под действием штоков силовых агрегатов, при этом управляющее кольцо связано с каждой секцией надроторной вставки и штоком каждого силового агрегата с помощью шаровых шарниров, расположенных с противоположных сторон управляющего кольца, а внутренняя поверхность секций надроторной вставки образует коническую поверхность.
Указанные существенные признаки обеспечивают решение поставленной задачи с достижением заявленного технического результата, так как выполнение управляющего кольца неразъемным, установка управляющего кольца с возможностью перемещения и наклона относительно продольной оси турбомашины под действием штоков силовых агрегатов, связь управляющего кольца с каждой секцией надроторной вставки и штоком каждого силового агрегата с помощью шаровых шарниров, расположенных с противоположных сторон управляющего кольца, образование внутренней поверхностью секций надроторной вставки конической поверхности позволяют осуществлять перемещение надроторной вставки, регулирующей радиальный зазор, по продольной оси турбомашины параллельно потоку газа. Такое перемещение не требует приложения усилий по преодолению силы давления газа.
Полезная модель поясняется следующим описанием конструкции устройства для регулирования радиального зазора и его работы со ссылкой на иллюстрации, представленные на фигурах 1-7, где:
на фиг. 1 изображено продольное сечение узла турбины с установленным устройством в месте регулирования РЗ;
на фиг. 2 изображено сечение А-А на фиг. 1;
на фиг. 3 изображено продольное сечение узла турбины в случае неравномерного по окружности изменения радиального зазора;
на фиг. 4 представлен элемент В на фиг. 3, где изображено шарнирное соединение управляющего кольца с секциями;
на фиг. 5 изображена условная схема смещения секций при наклоне управляющего кольца;
на фиг. 6 изображен общий вид крепления управляющего кольца к силовому агрегату и секциям;
на фиг. 7 изображен общий вид размещения устройства на колесе турбины при частично удаленном корпусе.
Устройство для регулирования радиального зазора между ротором и статором турбомашины выполнено следующим образом.
Устройство для регулирования радиального зазора содержит надроторную вставку 1, управляющее кольцо 2, кинематически связанное с надроторной вставкой 1, и силовые агрегаты 3, шарнирно связанных с управляющим кольцом 2 (фиг. 1, 2, 6, 7).
Надроторная вставка 1 состоит из совокупности секций, частично входящих друг в друга и последовательно расположенных таким образом, что их внутренняя поверхность образует коническую поверхность, концентричную поверхности, описываемой торцами лопаток 4 турбомашины.
Количество секций надроторной вставки 1 определяется геометрическими параметрами турбомашины, а также желаемой точностью регулировки величины радиального зазора и может находиться в диапазоне от 20 до 60. В приводимой в качестве примера реализации устройства для регулирования радиального зазора количество секций составляет 36 штук.
Каждая секция надроторной вставки 1 связана с управляющим кольцом 2 с помощью соответствующего шарового шарнира, закрепленного на одной стороне управляющего кольца 2.
При установке устройства в корпусе турбомашины внешняя поверхность секций опирается на соответствующие детали статора, между которыми устанавливается надроторная вставка 1, дополнительно в деталях статора с верхней и нижней стороны могут быть выполнены шлицевые направляющие, вдоль которых перемещаются секции.
Каждый из силовых агрегатов 3 содержит шток 5, связанный с управляющим кольцом 2 с помощью шарового шарнира, закрепленного на противоположной от надроторной вставки 1 стороне управляющего кольца 2. Штоки 5 силовых агрегатов 3 выполнены с возможностью перемещения относительно продольной оси турбомашины.
В качестве силовых агрегатов 3 могут использоваться шаговые двигатели или пневматические мембранные устройства, силовое действие которых определяется перепадом давления на мембранах. При этом шток 5 каждого силового агрегата 3 жестко крепится к мембране или поршню последнего и может перемещаться под действием перепада давления воздуха на этой мембране или поршне, передавая усилие на управляющее кольцо 2.
Силовые агрегаты 3 закреплены на элементах корпуса 6 турбомашины с помощью шаровых шарниров и расположены равномерно по окружности управляющего кольца 2.
Применение силовых агрегатов 3 в количестве по меньшей мере трех обусловлено необходимостью фиксации, устойчивого перемещения и наклона управляющего кольца 2 в его локальной области. Количество агрегатов 3 не ограничено, поскольку применение шаровых шарниров обеспечивает беспрепятственное перемещение и наклон управляющего кольца 2. Размеры и конструктивное исполнение силовых агрегатов 3 определяются геометрическими данными турбомашины и величиной необходимого усилия для перемещения управляющего кольца 2.
Управляющее кольцо 2 выполнено неразъемным и установлено с возможностью перемещения и наклона относительно продольной оси турбомашины под действием штоков 5 силовых агрегатов 3. Как показано на фиг. 4, отверстия под оси 7 шарнирного соединения выполнены с некоторым эксцентриситетом δ для возможности наклона управляющего кольца 2 на необходимый угол ε, а само кольцо 2 устанавливается с зазором Δ относительно поверхности секций с целью предотвращения заклинивания управляющего кольца 2 при его перемещении.
Устройство снабжено датчиками измерения отклонения радиального зазора (на фигурах не показаны), каждый из которых закреплен на соответствующей секции и при помощи линии связи соединен с блоком управления, который при помощи линий связи соединен с соответствующими силовыми агрегатами 3.
Устройство работает следующим образом.
nominal
От каждого датчика измерения отклонения радиального зазора на блок управления поступает сигнал, характеризующий величину отклонения РЗ в данном угловом положении плоскости поперечного сечения турбомашины. Блок управления анализирует поступившие сигналы и преобразует их в определенные величины перепадов давления, передающихся в полость мембраны или поршня соответствующих силовых агрегатов 3. Штоки 5 последних изменяют положение управляющего кольца 2, перемещая или наклоняя его в осевом направлении таким образом, что соответствующие осевые перемещения связанных с кольцом 2 секций компенсируют величину отклонения РЗ от номинальной величины D в данном угловом положении сечения в зависимости от характера изменения величины РЗ по окружности.
При этом предполагается, что величина РЗ при его отклонениях от номинала изменяется монотонно по окружности.
В случае равномерного по всей окружности отклонения РЗ от номинальной величины управляющее кольцо 2 и все секции надроторной вставки 1 перемещаются поступательно, изменяя величину РЗ равномерно по всей окружности.
В случае неравномерного по окружности отклонения РЗ от номинальной величины, например, в случае расположения максимального отклонения РЗ в верхней части турбомашины (фиг. 3), для возвращения значения РЗ к номинальной величине штоки 5 силовых агрегатов 3, расположенных в верхней части турбомашины, выдвигаются на большую величину (D1), чем штоки 5 нижних силовых агрегатов, выдвигающиеся на величину D2. Тем самым, секции верхней части надроторной вставки 1 перемещаются на большее расстояние, чем секции нижней части надроторной вставки 1.
На фиг. 5 приведена схема смещения секций при наклоне управляющего кольца 2. Ступеньки, образующиеся при перемещении секций, условно обозначены стрелками. Таким образом, перемещение каждой из секций в совокупности с другими секциями определяется положением и наклоном управляющего кольца 2.
Предлагаемая полезная модель может компенсировать отклонение РЗ от номинальной величины в случаях его равномерного изменения по окружности (изменение температурного состояния корпуса 6 турбины или ротора, а также осевого перемещения ротора относительно корпуса 6 турбины), а также в случаях его неравномерного изменения в каком-либо локальном месте (при местном изменении температурного состояния корпуса 6 турбины или радиальном смещении ротора).
Полезная модель обеспечивает:
- локальное регулирование радиального зазора за счет наклона и сдвига вдоль оси управляющего кольца, что позволяет перемещать секции надроторной вставки вдоль оси на требуемую величину относительно друг друга;
- уменьшение потерь давления и снижение утечек газа за счет установки секций надроторной вставки без зазоров друг относительно друга.
Техническое решение позволяет упростить конструкцию устройства для регулирования радиального зазора между ротором и статором турбомашины, уменьшить усилия, затрачиваемые на перемещение надроторной вставки, обеспечить равномерный радиальный зазор между ротором и статором и под держивать зазор при изменении режимов работы двигателя.