САМОЦЕНТРИРУЮЩЕЕСЯ ОПОРНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ВРАЩАЮЩИХСЯ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ
SELF-ALIGNING SUPPORT DEVICE FOR ROTARY CYLINDRICAL ELEMENTS

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ В ОБЛАСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Настоящее изобретение в целом относится к оборудованию, предназначенному для поддержки объектов. Более конкретно это изобретение относится к самоцентрирующемуся опорному устройству, способному поддерживать цилиндрический элемент и, в частности, большие вращающиеся цилиндрические элементы, например, во время изготовления, осмотра и/или обслуживания роторов и валов турбин, генераторов и других осесимметричных элементов.
В зависимости от конкретных рабочих условий роторы, используемые в паровых турбинах, газовых турбинах и реактивных двигателях, могут иметь сборные или монолитные конструкции. Например, большие паровые турбины обычно имеют соединенную болтами конструкцию, выполненную из отдельных роторов, причем каждый имеет вал с выполненным за одно целое колесом, обод которого приспособлен для установки лопастей (лопаток). Конфигурация и состав каждого отдельного роторного сегмента выбираются для конкретной части турбины (например, ступеней высокого и низкого давлений), в которой сегмент будет расположен. Роторы для газовых турбин и реактивных двигателей часто изготовляются путем соединения болтами ряда дисков и валов вместе. Другая конструкция ротора включает сварку вместе роторных сегментов, изготовленных из разных материалов, образуя то, что может быть названо ротором из многих сплавов (MAR). Предлагались также монолитные роторы из многих сплавов.
Роторы турбин работают при высоких скоростях вращения в термически враждебной среде. Хотя сделаны значительные достижения в области сплавов, чтобы достигнуть долгих сроков службы, возможны износ, коррозия, удары, усталость и/или перенапряжения, так что необходимы периодические осмотры и, если необходимо, ремонт или замена ротора или вала. Осмотр и обслуживание турбинных элементов обычно влекут за собой установку элемента в токарном станке или подобном устройстве, выполненном с возможностью вращения элемента вокруг своей оси, например, во время чистки, при контроле размеров, неразрушающем контроле (NDE), разборке/сборке и обработке на станке. Элемент часто поддерживается снизу валками, которые помогают поддерживать вес элемента, не мешая его способности вращаться. Валки, используемые для этой цели, обычно подвергаются закалке, чтобы сопротивляться деформации и удерживать допуски под весом элемента. Негибкая природа жестких валков требует долгой и тщательной установки, чтобы обеспечить соответствующую центровку валков и элемента, включая точную ориентацию осей валков параллельно элементу. Например, узлы жестких валков часто подкрашивают путем нанесения краски на поверхности элемента, и затем валки регулируются, чтобы достичь однородного рисунка на краске. В качестве альтернативы могут использоваться мягкие валки, которые достаточно податливы, чтобы лучше переносить несоосность. В некоторых ситуациях мягкие валки используются в несоосном положении, и в этом случае поверхности валков подвергаются опасности. Упрощая установку, в то же время мягкие валки могут оказаться неспособными удерживать допуски в достаточно узком интервале при таких операциях как контроль размеров и обработка на станке.
Ввиду вышесказанного было бы желательно, чтобы процесс центровки жестких валков и роторного элемента мог быть упрощен без ухудшения точности размеров, обычно требуемой от жестких валков при поддержке ротора во время осмотра и обслуживания.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Настоящее изобретение предлагает устройство и способ, предназначенные для поддержания цилиндрического элемента таким образом, который позволяет элементу вращаться. Неограничивающим примером является поддержка роторного элемента турбины во время чистки, контроля размеров, неразрушающего контроля, разборки, сборки и/или обработки элемента на станке.
Согласно первому аспекту изобретения устройство включает основание, имеющее верхнюю поверхность полусферической вогнутой формы, и каретку, опирающуюся на верхнюю поверхность основания. Каретка имеет верхнюю поверхность и расположенную напротив нее нижнюю поверхность, причем верхняя поверхность имеет один или более элементов для контактирования с цилиндрическим элементом и его поддержки с возможностью вращения. Нижняя поверхность каретки взаимодействует с верхней поверхностью основания и имеет полусферическую выпуклую форму, комплементарную полусферической вогнутой форме верхней поверхности основания. Устройство, кроме того, включает резервуар для смазки, расположенный в углублении на верхней поверхности основания, и средства доставки смазки в указанный резервуар. Нижняя поверхность каретки и верхняя поверхность основания ограничивают оболочку вокруг указанного резервуара.
Согласно второму аспекту изобретения основание и каретка устройства используются для поддержания цилиндрического элемента посредством контактных элементов каретки, при этом обеспечивается достаточное давление смазки внутри указанного резервуара для гидравлического отделения нижней поверхности каретки от верхней поверхности основания с обеспечением самоцентрирования каретки и ее контактных элементов с цилиндрическим элементом.
Согласно другому аспекту изобретения, способ поддержки цилиндрического элемента в широком смысле включает поддержку цилиндрического элемента над кареткой, поддерживаемой на основании, подъем основания и каретки вместе для введения цилиндрического элемента во взаимодействие с кареткой и обеспечение достаточного давления смазки между кареткой и основанием для гидравлического отделения нижней поверхности каретки от верхней поверхности основания и, таким образом, обеспечения возможности самоцентрирования каретки с цилиндрическим элементом.
Значительным преимуществом этого изобретения является то, что отделение и эффект самоцентрирования, обеспечиваемые комбинацией смазки и границей раздела в виде полусферической поверхности между кареткой и основанием, позволяет использовать множество элементов в качестве средств контактирования с цилиндрическим элементом. Например, устройство в качестве контактных элементов может использовать жесткие валки со способностью самоцентрирования, служащей для упрощения центровки валков с цилиндрическим элементом, не уменьшая точности размеров, обычно достигаемой с жесткими валками. Способность самоцентровки в этом изобретении, кроме того, позволяет использовать другие контактные элементы, которые в других случаях были бы не столь практичны, например, жесткий V-образный блок или гидростатические подшипники, которые создают лотковую опору для поддержки цилиндра. В каждом случае контактный элемент способен удерживать достаточно узкий интервал допусков для таких операций, как контроль размеров, обработка на станке и другие прецизионные операции, во время которых может потребоваться вращение цилиндрического элемента.
Другие аспекты и преимущества этого изобретения будут более понятны из следующего подробного описания.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Фиг.1 является видом в аксонометрии секции ремонта ротора турбины согласно варианту выполнения изобретения.
Фиг.2 является более подробным видом в аксонометрии опорного устройства секции ремонта, показанной на фиг.1.
Фиг.3 и 4 являются видами в аксонометрии стола опорного устройства, показанного на фиг.2, в поднятом и опущенном положениях соответственно.
Фиг.5 является видом в аксонометрии каретки и основания опорного устройства, показанного на фиг.2-4, показывающим каретку, снабженную V-образным блоком для поддержки элемента ротора согласно варианту этого изобретения.
Фиг.6 является видом в аксонометрии каретки и основания, показанных на фиг.5, показывающим внутренние элементы устройства.
Фиг.7 является видом в аксонометрии каретки и основания, подобным показанным на фиг.5 и 6, но снабженным валками вместо V-образного блока согласно другому варианту этого изобретения.
Фиг.8 является видом с торца на устройство каретки и основания, показанных на фиг.5 и 6, схематически показывающим цилиндры различных диаметров, опертые на V-блок.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Фиг.1 изображает секцию 10 ремонта ротора турбины согласно варианту выполнения изобретения. Элемент 12 ротора показан установленным на секции 10 с целью проведения осмотра, обслуживания или какой-либо другой операции, которая может понадобиться во время изготовления или после того, как элемент 12 возвращен из обслуживания. Элемент 12 представляет собой ротор относительно большого диаметра, хотя роторы и валы роторов со значительно меньшими диаметрами (фиг.2 и 8) также находятся в пределах объема изобретения. Хотя изобретение будет описано по отношению к роторным элементам, которые могут быть роторами и валами, предназначенными для установки в паровой турбине, газовой турбине, реактивном двигателе и т.д., цилиндрические элементы иные, чем роторы, также находятся в пределах объема изобретения, включая роторы генераторов, стальные валки прокатных станов, угольных дробилок и т.д. Кроме того, хотя ремонтная секция 10 особенно предназначена для поддерживания вращающихся элементов, из дальнейшего будет видно, что она также способна поддерживать и предотвращать вращение эксцентрично нагруженных элементов, как, например, во время монтажа лопастей (лопаток) на роторе.
Секция 10 содержит двигатель 14, снабженный приводным валом 15, выполненным с возможностью присоединения к элементу 12, с обеспечением возможности двигателю 14 вращать элемент 12 вокруг его оси вращения. Напротив двигателя 14 расположен упорный подшипник 16, предназначенный для противодействия осевым усилиям, возникающим при вращении ротора 12. Элемент 12 поддерживается между двигателем 14 и упорным подшипником 16 опорным устройством 18, и все оборудование, представленное на фиг.1, показано смонтированным на платформе 20. Секция 10 может быть постоянным устройством в сервисном центре или может быть переносным устройством вместе с платформой 20.
Фиг.2 показывает опорное устройство 18, показанное на фиг.1, более подробно, в котором элемент 12 большого диаметра заменен элементом 12 малого диаметра (например, валом), чтобы показать более подробно устройство 18. Устройство 18 в целом содержит раму 22, стол 24, смонтированный внутри рамы 22, исполнительную систему 26 для поднятия и опускания стола 24 внутри рамы 22, основание 28, смонтированное на верхней части стола 24, и каретку 30, опирающуюся на основание 28. Рама 22 может быть жестко прикреплена к платформе 20 или может поддерживаться подшипниками (не показаны), чтобы механически отсоединять опорное устройство 18 и его элементы от двигателя 14 и окружающих устройств.
Рама 22, стол 24 и исполнительная система 26 представлены более подробно на фиг.3 и 4, которые являются отдельными видами опорного устройства 18 без элемента 12, основания 28 и каретки 30. Фиг.3 показывает стол 24 в поднятом положении, в результате работы исполнительной системы 26, которая показана как приводимое в действие электричеством винтовое устройство, хотя это может быть другая механическая система, гидравлическая система или электрическая система. Горизонтальная ориентация стола 24 поддерживается отчасти присоединением стола 24 к стойкам 32, прикрепленным к раме 22. На фиг.1-4 показаны четыре стойки 32, присоединенные к столу 24 опорными подшипниками 34, хотя может быть использовано любое количество стоек 32, например, одна на каждом конце стола 24. Хотя исполнительная система 26 и стойки 32 показаны в виде двух отдельных блоков, можно также предполагать, что исполнительная система 26 может быть встроена в стойки 32. Кроме того, рама 22 и стол 24 могут иметь множество конфигураций, способных улучшить механическую целостность, если это желательно, минимизируя их вес. Как таковые рама 22, стол 24, исполнительная система 26, стойки 32 и т.д. показаны на фиг.1-4 только в целях иллюстрации и, помимо своих функций поддержки и подъема основания 28 и каретки 30 во взаимодействие с элементом 12, не ограничивают область изобретения.
Фиг.5 и 6 показывают более детально виды основания 28 и каретки 30, показанных на фиг.1 и 2. Основание 28 содержит базовую пластину 36, приспособленную для крепления к столу 24 болтами. Базовая пластина 36 имеет приподнятую центральную направляющую 38, обработанную за одно целое с пластиной 36, хотя можно также предполагать, что центральная направляющая 38 может быть изготовлена отдельно и прикреплена к пластине 36. Центральная направляющая 38 ограничивает верхнюю поверхность 40 основания 28, на которую каретка 30 опирается посредством контакта с ней своей нижней поверхности 50 (фиг.6). К противоположным концам центральной направляющей 38 с помощью болтов присоединена пара монтажных блоков 42, из которых навстречу друг другу проходят цапфы 44 (фиг.8), чтобы обеспечить поддержку для каретки 30. Цапфы 44 показаны как образованные концами болтов 45, завинченных в блоки 52, что позволяет цапфам 44 завинчиваться по резьбе в зажимное взаимодействие с пазами или выемками 52 (фиг.6 и 8), находящимися на противоположных концах каретки 30, предоставляя возможность цапфам 44 крепить каретку 30 к основанию 28, и предпочтительно фиксировать неподвижно каретку 30 на основании 28, поддерживая в то же время вес элемента 12. В альтернативном случае цапфы 44 могут управляться гидравлически с возможностью вхождения во взаимодействие с выемками 52 и выхода из этого взаимодействия. Еще одна альтернатива состоит в том, чтобы присоединить каретку 30 к основанию 28 посредством зажимов других типов, смонтированных на основании 28 и выполненных с возможностью взаимодействия с концами и/или сторонами каретки 30.
Фиг.6 показывает верхнюю поверхность 40 основания 28 как имеющую полусферическую вогнутую поверхность, внутри которой по центру создан резервуар 46. Как будет более подробно обсуждено ниже, резервуар 46 предназначен для размещения жидкости, и более конкретно, смазки, такой как гидравлическая жидкость, масло или густая смазка, способной отделять каретку 30 от поверхности 40 основания 28. Объем жидкости в резервуаре 46, необходимый для этой цели, будет зависеть от площади поверхности резервуара 46 и давления смазки, имеющейся в резервуаре 46. Смазка может доставляться к резервуару 46 через фитинги 54, которые показаны расположенными на каждом конце каретки 30, хотя возможны также многие другие места расположения, включая стол 24 и основание 28. Окружающая резервуар 46 полусферическая вогнутая верхняя поверхность 40 основания 28 является предпочтительно непрерывной и гладкой, чтобы обеспечить равномерный контакт с полусферической выпуклой нижней поверхностью 50 каретки 30.
Нижняя поверхность 50 каретки 30 предпочтительно имеет полусферическую выпуклую форму, комплементарную полусферической вогнутой форме верхней поверхности 40 основания 28, так что верхняя и нижняя поверхности 40 и 50 достигают тесного контакта друг с другом. Кроме того, периметры этих поверхностей 40 и 50 обеспечивают уплотнение между поверхностями, которое окружает резервуар 46 со смазкой. Это уплотнение между поверхностями является предпочтительно непроницаемым для жидкости или почти таковым при воздействии веса элемента 12, когда каретка 30 прижимается вниз, на основание 28, так что смазка внутри резервуара 46 может быть сжата, чтобы нагнетать смазку из резервуара 46 и обеспечить пленку из смазки между верхней и нижней поверхностями 40 и 50 основания 28 и каретки 30. Смазка, вытесненная из пространства между поверхностями 40 и 50 основания 28 и каретки 30, может быть собрана и возвращена в резервуар 46 по желобкам или загнутым кромкам, расположенным вдоль сторон каретки 30.
Цапфы 44 и соответствующие им выемки 52 предотвращают случайное смещение каретки 30 с поверхности 40 основания 28. Кроме того, цапфы 44 определяют ось, вокруг которой каретка 30 может поворачиваться, когда на нее не воздействует зажимающая нагрузка цапф 44. Когда каретка 30 подвергается воздействию веса элемента 12, дополняющие друг друга полусферические формы верхней и нижней поверхностей 40 и 50 основания 28 и каретки 30 и пленка смазки между ними позволяют каретке 30 скользить и перемещаться относительно основания 28, обеспечивая возможность центрирования каретки 30 относительно нагрузки, создаваемой элементом 12. Цапфы 44 ограничивают перемещение каретки 30 до такой степени, что строго ограничивается "килевая качка" (в плоскости, проходящей через ось цапф 44, и нормально к поверхности 40) каретки 30, в то же время, позволяя ограниченную степень "рыскания" (движения поворота вокруг оси, нормальной к поверхности 40 основания) и "бортовой качки" (вокруг оси цапф 44).
Каретка 30 снабжена одним или более контактными элементами, способными поддерживать элемент 12 ротора, предпочтительно, чтобы позволить элементу 12 вращаться, когда он поддерживается опорным устройством 18. Как показано на фиг.1, 2, 5 и 6, контактные элементы содержат V-образный блок 58. Блок 58 в целом имеет противолежащие пластины 60, наклоненные относительно друг друга и разделенные линейным стыком 62 в основании V-формы. Пластины 60 выровнены в направлении параллельно оси, определяемой цапфами 44, так что V-образный блок 58 и его пластины 60 остаются по существу центрированными на основании 28. Как следует из фиг.1 и 2 и особенно фиг.8, каретка 30 ориентирована на опорном устройстве 18 так, что ось элемента 12 параллельна стыку 62 и находится непосредственно над ним, между пластинами 60, и пластины 60 приблизительно симметрично располагаются напротив друг друга, когда контактируют с элементом 12. Фиг.8, кроме того, иллюстрирует способность располагать на каретке 30 элементы 12 роторов широкого диапазона диаметров. Чтобы минимизировать износ и обеспечить низкофрикционный контакт с элементом 12, пластины 60 предпочтительно выполнены из материала более мягкого, чем материал элемента 12, который поддерживается, особенно из таких материалов, как баббит, нейлон и текстолит. Блок 58, кроме того, показан на фиг.5 и 6 как имеющий каналы 56, из которых необходимая смазка (например, гидравлическая жидкость) может направляться на поверхности пластин 60, чтобы создать пленку из смазки, которая служит в качестве гидростатических подшипников, способных поддерживать элемент 12 над пластинами 60. Понятно также, что гидростатические подшипники могут быть использованы без пластин 60.
Наконец, фиг.7 является видом в аксонометрии основания 28 и каретки 30, подобных тем, что показаны на фиг.5, но оборудованных вместо V-образного блока 58 валками 64 в качестве контактных элементов, согласно другому варианту изобретения. Так же, как пластины 60 блока 58 на фиг.5, валки 64 выровнены в направлении, параллельном оси, определяемой цапфами 44, так что валки 64 остаются по существу центрированными на основании 28. Кроме того, оси вращения валков 64 ориентированы поперечно к оси цапф 44, но параллельно оси элемента 12, поддерживаемого на каретке 30, так что валки 64 приблизительно симметрично расположены напротив друг друга во время контакта с элементом 12. Из-за способности самоцентровки, обеспечиваемой комплементарными одна другой полусферическими формами верхней и нижней поверхностей 40 и 50 соответственно основания 28 и каретки 30, дающей возможность осям валков 64 автоматически выравниваться с осью элемента 12 при нагрузке, создаваемой элементом 12, недостатки использования жестких валков устраняются, позволяя изготавливать валки 64 из очень износоустойчивых материалов с твердостью 25 единиц по Роквеллу или более, таких как стальные сплавы. Особенно предпочтительными материалами являются AISI 4140 (Американский институт черной металлургии) с твердостью по Роквеллу 30 единиц или более. Подходящие диаметры для валков 64 обычно составляют около восьми дюймов (20 см), хотя могут быть большие или меньшие диаметры. Наконец, фиг.7 показывает каретку 30, снабженную скобами 66, в которых могут поддерживаться валки 64, чтобы устанавливать элементы 12 роторов различных диаметров.
Основываясь на предыдущем, следует понимать, что вместо V-образного блока 58 (с гидростатическими подшипниками 56 и/или пластинами 60) и валков 64 может быть использовано широкое разнообразие подшипников и других контактных элементов. Кроме того, могут быть использованы различные материалы, чтобы создать основание 28 и каретку 30, неограничивающим примером которых являются углеродистые и конструкционные стали, такие как ASTM А36.
При использовании опорное устройство 18 и его основание 28 и каретка 30 соответственно регулируются по средней линии двигателя 14, причем каретка 30 и ее контактные элементы (V-образный блок 58, валки 64 и т.д.) гидравлически поднимаются жидкостью, находящейся внутри резервуара 46 для смазки, и элемент 12 соединяется с двигателем 14 через приводной вал 15, перед тем как нагрузить вес элемента 12 на каретку 30 и ее контактные элементы. Затем гидравлическое давление снимается с резервуара 46, позволяя каретке 30 придти в состояние центровки на основании 28. Цапфы 44 затем перемещаются во взаимодействие с выемками 52, чтобы закрепить и предпочтительно неподвижно фиксировать каретку 30 на основании 28.
Хотя изобретение описано для конкретных вариантов, понятно, что специалисты могут использовать другие формы. Например, физическая конфигурация основания 28 и каретки 30, а также секция 10 ремонта роторов турбин, с которой основание 28 и каретка 30 должны использоваться, могут отличаться от тех, что показаны на чертежах, и могут быть использованы материалы и процессы, отличающиеся от тех, что описаны в изобретении. Поэтому рамки изобретения ограничиваются только формулой изобретения.
Список обозначений на чертежах
10
Секция
110
12
Элемент
112
14
Двигатель
114
15
Приводной вал
115
16
Подшипник
116
18
Устройство
118
20
Платформа
120
22
Рама
122
24
Стол
124
26
Исполнительная система
126
28
Основание
128
30
Каретка
130
32
Стойки
132
34
Подшипники
134
36
Базовая пластина
136
38
Направляющая
138
40
Поверхность
140
42
Монтажные блоки
142
44
Цапфы
144
45
Болты
145
46
Резервуар
146
52
Блоки
152
54
Фитинги
154
56
Каналы
156
58
V-образный блок
158
60
Пластины
160
62
Стык
162
64
Валки
164
66
Скобы
166