ЦЕНТРИРУЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО, ВХОДНОЙ НАПРАВЛЯЮЩИЙ ЛОПАТОЧНЫЙ АППАРАТ И ТУРБОМАШИНА
CENTRING DEVICE, INPUT GUIDE VANES AND TURBINE MACHINE

Область применения изобретения
Варианты выполнения раскрытого здесь изобретения в целом относятся к способам и устройствам и, более подробно, к механизмам и способам центровки ведущего кольца во входном направляющем лопаточном аппарате.
Уровень техники
В последние годы увеличилась важность компрессоров в различных отраслях промышленности. Компрессоры используются в двигателях, турбинах, производстве электроэнергии, криогенных установках, нефтяной и газовой промышленности, нефтехимии и т.д. Таким образом, все больше исследований выполняются для улучшения эффективности этих турбомашин.
Как показано на фиг.1, компрессор 10 содержит кожух 12, в котором расположен вал 14, к которому прикреплено рабочее колесо 16. Входное отверстие 18 компрессора 10 подает среду (обычно газ) к рабочему колесу. Однако, количеством и направлением газа, поступающего в рабочее колесо, нужно управлять во время различных этапов работы компрессора.
Во входном отверстии 18 может быть установлен входной направляющий лопаточный (ВНЛ) аппарат 20 для регулирования количества и направления 22 газа, подаваемого в рабочее колесо 16 компрессора 10. Такой ВНЛ аппарат 20, показанный на фиг.2, имеет диск 24 для размещения лопаток, выполненный с возможностью удержания лопаток 26. На фиг.2, для простоты, показаны только две лопатки 26. Каждая лопатка 26 соединена со стержнем 28, который выполнен с возможностью поворота вокруг продольной оси. Поворот стержня 28 определяет поворот соответствующей лопатки 26. Стержень 28 приводится в действие с помощью, например, рычагов 30 и 32. Рычаг 30 соединен с рычагом 32 болтом 34. Рычаг 32 присоединен болтом 36 к ведущему кольцу 40. Поворот ведущего кольца 40 вызывает поворот стержня 28 и, таким образом, лопатки 26 с помощью рычагов 30 и 32. Таким образом, количество и направление газа, входящего в рабочее колесо 16, регулируются поворотом ведущего кольца 40.
Однако, при приложении большой силы к ведущему кольцу 40 для его поворота, возможно смещение ведущего кольца из его положения, что является нежелательным. Другой проблемой, с которой сталкиваются существующие аппараты ВНЛ, является большое тепловое расширение. Поскольку газ продвигается под определенными углами через ВНЛ аппарат, температура газа увеличивается, и тепловые расширения ведущего кольца и кожуха, в котором расположено ведущее кольцо, могут отличаться, что может привести или к заклиниванию ведущего кольца в кожухе, или к расцентровке ведущего кольца. Эти проблемы ведущего кольца могут воздействовать отрицательно на его функционирование и на его способность закрывать или открывать лопатки ВНЛ аппарата, таким образом, плохо воздействуя на работу компрессора.
В публикации заявки на патент США № 2007/0154301 (авторы Hartmann и др.), все содержание которой включено в настоящее описание посредством ссылки, описано устройство для поддержания кольца, содержащее рычаги, имеющие соответствующие ролики. Указанные рычаги прикреплены к несущему элементу лопаток, а ролики находятся в контакте с регулирующим кольцом, так что указанное кольцо поддерживается роликами.
В патенте Великобритании 1281786 (автор Wall), все содержание которого включено в настоящее описание посредством ссылки, также описана конструкция, которая содержит ролики 159 для центровки кольца 146. Однако, оба этих документа имеют ограниченную возможность компенсации больших тепловых расширений кольца или опоры роликов или регулировки приложенной силы.
Соответственно, существует необходимость в создании устройств и способов, которые преодолевают описанные выше проблемы и недостатки.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Согласно одному примерному варианту выполнения, предложено центрирующее устройство для центровки ведущего кольца. Центрирующее устройство содержит поворотную часть, выполненную с возможностью поворота вокруг первой оси, которая проходит вдоль осевого направления отверстия, выполненного в указанной поворотной части, ролик, прикрепленный к первому концу поворотной части и выполненный с возможностью вращения, стержень, прикрепленный ко второму концу поворотной части и выполненный с возможностью перемещения вдоль второй оси, пружинный механизм, в котором расположена часть указанного стержня и который выполнен с возможностью приложения поджимающей силы к поворотной части, и корпус для стержня, выполненный с возможностью размещения в нем конца стержня и с обеспечением возможности свободного перемещения стержня через указанный корпус.
Согласно другому примерному варианту выполнения, предложен входной направляющий лопаточный аппарат. Входной направляющий лопаточный аппарат содержит пластину для направляющих лопаток, выполненную с возможностью удержания лопаток, втулку, ведущее кольцо, расположенное между указанной пластиной и втулкой и выполненное с возможностью поворота указанных лопаток, и по меньшей мере два центрирующих устройства, прикрепленных к втулке и выполненных с возможностью центровки ведущего кольца. Центрирующее устройство содержит поворотную часть, выполненную с возможностью поворота вокруг первой оси, проходящей вдоль осевого направления отверстия, выполненного в поворотной части, ролик, прикрепленный к первому концу поворотной части и выполненный с возможностью вращения, стержень, прикрепленный ко второму концу поворотной части и выполненный с возможностью перемещения вдоль второй оси, пружинный механизм, в котором расположена часть указанного стержня и который выполнен с возможностью приложения поджимающей силы к поворотной части, и корпус для стержня, выполненный с возможностью размещения в нем конца стержня и с обеспечением возможности свободного перемещения стержня через указанный корпус.
Согласно еще одному примерному варианту выполнения, предложена турбомашина, которая содержит кожух, имеющий входное отверстие и выходное отверстие, вал, на котором расположено рабочее колесо, расположенное в кожухе, и входной направляющий лопаточный аппарат. Входной направляющий лопаточный аппарат содержит пластину для направляющих лопаток, выполненную с возможностью удержания лопаток, втулку, ведущее кольцо, расположенное между указанной пластиной и втулкой и выполненное с возможностью поворота указанных лопаток, и по меньшей мере два центрирующих устройства, прикрепленных к втулке и выполненных с возможностью центровки ведущего кольца. Центрирующее устройство содержит поворотную часть, выполненную с возможностью поворота вокруг первой оси, которая проходит вдоль осевого направления отверстия, выполненного в поворотной части, ролик, прикрепленный к первому концу поворотной части и выполненный с возможностью вращения, стержень, прикрепленный ко второму концу поворотной части и выполненный с возможностью перемещения вдоль второй оси, пружинный механизм, в котором расположена часть указанного стержня и который выполнен с возможностью приложения поджимающей силы к поворотной части, и корпус для стержня, выполненный с возможностью размещения в нем конца стержня и с обеспечением возможности свободного перемещения стержня через указанный корпус.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Сопровождающие чертежи, которые включены в описание и составляют его часть, иллюстрируют один или более вариантов выполнения и, вместе с описанием, объясняют эти варианты выполнения. На чертежах:
Фиг.1 изображает схематически конструкцию обычного компрессора;
Фиг.2 изображает схематически конструкцию обычного входного направляющего лопаточного аппарата;
Фиг.3 изображает схематически конструкцию компрессора, имеющего предложенный входной направляющий лопаточный аппарат, согласно примерному варианту выполнения;
Фиг.4 изображает схематически конструкцию центрирующего устройства и ведущего кольца, согласно примерному варианту выполнения;
Фиг.5 изображает схематически конструкцию центрирующего устройства и точек его крепления, согласно примерному варианту выполнения;
Фиг.6 изображает схематически конструкцию центрирующего устройства;
Фиг.7 изображает схематически конструкцию корпуса для стержня центрирующего устройства, согласно примерному варианту выполнения;
Фиг.8 изображает схематически конструкцию компрессора, имеющего предложенное центрирующее устройство, согласно примерному варианту выполнения;
Фиг.9 изображает схематически конструкцию центрирующего устройств, расположенного вокруг ведущего кольца, согласно примерному варианту выполнения;
Фиг.10 иллюстрирует схематически перемещение ролика центрирующего устройства согласно примерному варианту выполнения; и
Фиг.11 изображает блок-схему, иллюстрирующую способ сборки центрирующего устройства, согласно примерному варианту выполнения.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Следующее описание примерных вариантов выполнения приведено со ссылкой на сопровождающие чертежи. Аналогичные номера позиций на различных чертежах обозначают те же самые или подобные элементы. Следующее подробное описание не ограничивает изобретение. Вместо этого объем изобретения определен приложенной формулой изобретения. Следующие варианты выполнения обсуждены, для простоты, относительно терминологии и конструкции ВНЛ аппарата компрессора. Однако, варианты выполнения, обсуждаемые далее, не ограничены этими конструкциями, а могут применяться с другими конструкциями, в которых необходимо регулирование входа текучей среды в турбомашину.
Ссылка по всему описанию на "один вариант выполнения" или "вариант выполнения" означает, что частный признак, конструкция или особенность, описанные в связи с одним вариантом выполнениям, включены по меньшей мере в один вариант выполнения раскрытого изобретения. Таким образом, наличие фраз "в одном варианте выполнения" или "в варианте выполнения" в различных местах повсюду в описании не обязательно относится к тому же самому варианту выполнения. Далее, особые признаки, конструкции или особенности могут быть объединены любым подходящим способом в одном или более вариантах выполнения.
Согласно примерному варианту выполнения, ведущее кольцо поддерживается несколькими центрирующими устройствами, которые выполнены с возможностью центровки ведущего кольца. Центровка может быть непрерывной и автоматической.
Как показано на фиг.3, компрессор 50 может содержать кожух 52, в котором расположен ВНЛ аппарат 54, расположенный между входным отверстием 56 компрессора и рабочим колесом 58. У компрессора есть также выход 57. После того, как газ прошел через аппарат 54, он входит в рабочее колесо 58 первой ступени компрессора. Рабочее колесо 58 прикреплено к валу 60 компрессора. Газ после прохождения через рабочее колесо 58 входит в диффузор 62. Рабочее колесо 58 и диффузор 62 образует первую ступень компрессора 50. Газ из диффузора 62 входит в следующую ступень компрессора и так далее. Таким образом, ВНЛ аппарат 54 расположен в кожухе 52 вокруг вала 60.
ВНЛ аппарат 54, согласно примерному варианту выполнения, показан на фиг.4. Втулка 66 выполнена с обеспечением частичного размещения ведущего кольца 70. В одном применении втулка 66 может быть неподвижно прикреплена к внутреннему кожуху компрессора. Втулка 66 может иметь отверстие 68, которое выполнено с обеспечением размещения вала 60.
Ведущее кольцо 70 обращено к втулке 66 и может быть с возможностью поворота присоединено к втулке 66, как обсуждено ниже. Втулка 66 может содержать направляющие элементы 72, которые выполнены с возможностью окружения (частично или полностью) ведущего кольца 70, когда оно расположено рядом с втулкой 66.
На втулке 66 вокруг ведущего кольца 70 также расположены центрирующие устройства 74 для поддержки ведущего кольца 70. На фиг.4, для простоты, показано одно центрирующее устройство 74. Однако, может использоваться большее количество центрирующих устройств, например шесть. Центрирующее устройство 74 может быть с возможностью поворота присоединено к втулке 66 в двух местоположениях. Эти два местоположения 76a и 76b, например, представляют собой отверстия (резьбовые или нерезьбовые) во втулке 66. Как показано на фиг.5, для крепления центрирующего устройства 74 к втулке 66 используются два соответствующих болта или винта 78a и 78b.
Хотя два винта 78a и 78b используются для прикрепления центрирующего устройства 74 к втулке 66, центрирующее устройство все же может перемещаться и/или поворачиваться, как описано ниже. На фиг.6 показаны центрирующее устройство 74 и его детали. Следует отметить, что виден винт (или шпилька, или болт, или другие средства крепления к втулке 66) 78a, в то время как винт 78b не видим. Это будет кратко разъяснено.
Центрирующее устройство 74 содержит ролик 80, присоединенный, например, с помощью штифта 82 к поворотной части 84. Поворотная часть 84 имеет отверстие 86, через которое винт 78а вставлен во втулку 66. Винт 78а выполнен с предотвращением прижатия поворотной части 84 к втулке 66, так что поворотная часть 84 может свободно поворачиваться вокруг винта 78a.
Кроме того, в одном применении отверстие 86 выполнено без резьбы, и оно больше внешнего диаметра винта 78a.
Поворотная часть 84 выполнена с возможностью присоединения к стержню 88. Соединение между поворотной частью 84 и стержнем 88 обеспечено, например, с помощью штифта. Однако, возможны другие соединения, обеспечивающие возможность поворота поворотной части 84 и перемещение стержня 88 вдоль направления X. В контакте с одним концом 88а стержня 88 может быть расположен пружинный механизм 90. Конец 88а стержня 88 может иметь такую форму, что пружинный механизм 90 не может проходить мимо него, то есть, служит стопором. Другой конец пружинного механизма 90 обращен к корпусу 92 для стержня, который выполнен с обеспечением размещения в нем другого конца 88b стержня 88. Стержень 88 выполнен с возможностью свободного перемещения через корпус 92.
Корпус 92 прикреплен вместе с винтом 78b к втулке 66 изнутри корпуса 92, как показано на фиг.7. Поэтому, когда стержень 88 вставлен в корпус 92, как показано на фиг.6, винт 78b скрыт стержнем 88. Винт 78b, таким образом, выполнен с возможностью поворотного присоединения корпуса 92 к втулке 66 с обеспечением возможности свободного поворота корпуса 92 вокруг винта 78b. Таким образом, эта конструкция обеспечивает возможность поворота поворотной части 84 вокруг винта 78a и перемещения стержня 88 в направлении Х через корпус 92. Хотя на фиг.6 и 7 изображена гайка 94 на конце 88b стержня 88, эта гайка отсутствует, когда ВНЛ аппарат находится в действии, как пояснено ниже.
Пружинный механизм 90 может быть простой пружиной, пружиной Бельвилля или любым другим известным в технике устройством, которое создает упругую силу. Таким образом, во время работы, если ведущее кольцо 70 расширяется быстрее (из-за теплового расширения), чем втулка 66, ролик 80, который находится в контакте с ведущим кольцом 70, может перемещаться в радиальном направлении Z на фиг.6, для компенсации этого расширения. Когда ролик 80 перемещается в направлении Z, поворотная часть 84 поворачивается вокруг оси Y (показанную на фиг.6 как проходящую через страницу) и сжимает пружинный механизм 90, когда стержень 88 проталкивается в направлении X. Поскольку пружинный механизм 90 сжат, появляется сила, противоположная перемещению ролика 80, которая имеет тенденцию центровать ведущее кольцо 70. Нужно напомнить, что вокруг ведущего кольца 70 расположено несколько центрирующих устройств 74.
Однако, если втулка 66 расширяется быстрее, чем ведущее кольцо 70, то ролик 80 перемещается в отрицательном направлении Z, пружинный механизм 90 разжимается, что создает силу вдоль направления Z в поворотной части 74. Таким образом, сила, прикладываемая роликом 80 к ведущему кольцу 70, уменьшается, определяя центровку ведущего кольца 70. В то время как эти силы появляются в пружинном механизме 90, конец 88b стержня 88 может свободно перемещаться через корпус 92 для стержня.
В зависимости от температур, которым подвергается ВНЛ аппарат, сила пружинного механизма 90 может быть изменена, например, путем замены слабой пружины на более сильную пружину или наоборот. Таким образом, ролик 80 по-разному реагирует на различные условия работы компрессора, в зависимости от выбора пружинного механизма 90. Таким образом, ВНЛ аппарат может компенсировать даже большие смещения ведущего кольца 70 относительно втулки 66.
Ниже обсуждается распределение устройств 74. Как показано на фиг.8, которая подобна фиг.4, к ведущему кольцу 70 с помощью штифта 102 присоединен приводной стержень 100. Возможны другие способы присоединения приводного стержня 100 к ведущему кольцу 70. На фиг.8 также показана пластина 103 для направляющих лопаток, которая выполнена с возможностью удержания лопаток 104. Таким образом, в этом варианте выполнения, ведущее кольцо 70 расположено между втулкой 66 и пластиной 103 для направляющих лопаток. Лопатки 104 расположены с возможностью проточного сообщения с входным отверстием 56 компрессора 50. Лопатки 104 соединены с ведущим кольцом 70 различными рычагами. Когда лопатки 104 необходимо повернуть для изменения количества поступающего газа, к приводному стержню 100 прикладывают силу для поворота ведущего кольца 70, которое закрывает или открывает лопатки 104. Эта сила в комбинации с различными тепловыми расширениями ведущего кольца 70 и втулки 66 вызывает смещение от центра ведущего кольца в обычных устройствах.
Однако, предложенные центрирующего устройства 74 корректируют эту проблему путем центровки ведущего кольца 70 при разнообразных условиях, так как устройства 74 имеют, как обсуждено в примерном варианте выполнения, способность прикладывать необходимую силу, в зависимости от выбора пружинного механизма 90. Другим фактором, который способствует центровке ведущего кольца 70, может быть распределение устройств 74 вокруг ведущего кольца. В примерном варианте выполнения, проиллюстрированном на фиг.9, шесть устройств 74 (изображенных в виде кругов) показаны распределенными вокруг ведущего кольца 70. Следует отметить, что ролики 80 устройств 74 находятся в контакте с ведущим кольцом 70.
Согласно этому примерному варианту выполнения, устройства 74 распределены противоположно оси силы 110 ведущего кольца 70, которая задается присоединением приводного стержня 100 к ведущему кольцу 70. Другими словами, положения 112a и 112b не являются предпочтительными в этом примерном варианте выполнения. В одном применении устройства 74 симметрично расположены относительно оси силы 100 и вокруг ведущего кольца 70. В еще одном применении угол α между двумя смежными центрирующими устройствами 74а и 74b с одной стороны оси 110 составляет между 20° и 60° и может быть одинаковым для всех центрирующих устройств с одной стороны оси 110. Может использоваться меньшее или большее количество центрирующих устройств.
При использовании различные части центрирующего устройства 74а перемещаются, как показано схематично на фиг.10. Когда ведущее кольцо 70 имеет тенденцию проходить в положительном направлении оси Z, ролик 80 проталкивается в том же самом направлении, что заставляет стержень 88 сжимать пружинный механизм 90 вдоль положительного направления оси X. Это действие определяет увеличение пружинной силы в пружинном механизме 90, что уравновешивает перемещение ролика 80 вверх. Одновременно, противоположное центрирующее устройство 74 действует в противоположном направлении, то есть, уменьшая силу, прикладываемую его роликом 80 к ведущему кольцу 70. Благодаря синергетическому действию двух или больше центрирующих устройств 74, когда ведущее кольцо 70 выходит из отцентрованного состояния в одном направлении, центрирующие устройства на этой стороне толкают ведущее кольцо 70 с возрастающей силой к отцентрованному положению, а противоположные центрирующие устройства уменьшают свою силу для обеспечения возможности возврата центрирующего кольца в его изначальное положение.
Предложенное центрирующее устройство, показанное на фиг.6, имеет другую новую концепцию, которая упрощает сборку компрессора. Специалистам понятно, что сборка конструкций, описанных во вступительном разделе описания, является трудной, поскольку их ролики прикладывают фиксированную силу к центральному кольцу. Однако, при использовании гайки 94, показанной на фиг.6, ролик 80 может быть приподнят от ведущего кольца 70 так, чтобы кольцо 70 могло быть помещено во втулке 66, не подвергаясь воздействию центрирующих устройств 74. Как только ведущее кольцо 70 оказывается на месте, гайку 94 удаляют, и ролик 80 оказывает желаемое давление на ведущее кольцо 70.
Способ крепления центрирующего устройства к ВНЛ аппарату описан ниже со ссылкой на фиг.11. Способ включает этап 1100 прикрепления поворотной части к втулке с обеспечением возможности поворота поворотной части вокруг первой оси (Y), которая проходит вдоль осевого направления отверстия, выполненного в поворотной части; этап 1102 прикрепления ролика к первому концу поворотной части с обеспечением возможности поворота ролика; этап 1104 прикрепления стержня к второму концу поворотной части с обеспечением возможности перемещения стержня вдоль второй оси (X); этап 1106 размещения части стержня в пружинном механизме с обеспечением возможности приложения пружинным механизмом поджимающей силы к поворотной части; и этап 1108 прикрепления корпуса для стержня к втулке с обеспечением возможности размещения конца стержня в указанном корпусе и с обеспечением возможности свободного перемещения стержня через корпус.
Способ может включать дополнительные этапы прикрепления пластины для направляющих лопаток к втулке таким образом, что ведущее кольцо зажато между втулкой и пластиной для направляющих лопаток. Этот узел может быть вставлен в кожухе турбомашины, например компрессора. Приводной стержень тогда может быть вставлен через отверстие в кожухе для присоединения к ведущему кольцу.
Раскрытые примерные варианты выполнения предлагают систему и устройство для центрирования ведущего кольца вокруг вала турбомашина. Должно быть понятно, что это описание не предназначено для ограничения изобретения. Напротив, примерные варианты выполнения охватывают альтернативы, модификации и эквиваленты, которые включены в суть и объем изобретения, определенные приложенной формулой изобретения. Кроме того, в подробном описании примерных вариантов выполнения многочисленные определенные детали сформулированы для обеспечения всестороннего понимания заявленного изобретения. Однако, специалисту должно быть понятно, что различные варианты выполнения могут быть осуществлены без таких определенных деталей.
Хотя признаки и элементы представленных примерных вариантов выполнения описаны в вариантах выполнения в особых комбинациях, каждый признак или элемент могут использоваться один без других признаков и элементов вариантов выполнения или в различных комбинациях с другими признаками и элементами, раскрытыми здесь, или без них.
В этом описании используются примеры изобретения, раскрытого для обеспечения возможности любому специалисту осуществить его на практике, включая создание и использование любых устройств или систем и выполнение любых объединенных способов. Область охраны изобретения определена формулой изобретения и может содержать другие примеры, которые очевидны специалистам. Предполагается, что такие другие примеры находятся в рамках формулы изобретения.