УСТРОЙСТВО РЕГУЛИРОВАНИЯ НАПРАВЛЯЮЩИХ ЛОПАТОК И ТУРБОМАШИНА
DEVICE FOR ADJUSTING GUIDE VANES AND A TURBOMACHINE

Настоящее изобретение относится к устройству регулирования направляющих лопаток турбомашины и к турбомашине, имеющей такое устройство регулирования направляющих лопаток.
Известные из практики турбомашины содержат ротор и статор. Ротор турбомашины содержит вал и множество рабочих лопаток, вращающихся вместе с валов, причем рабочие лопатки образуют по меньшей мере один ряд рабочих лопаток. Статор турбомашины содержит корпус и множество неподвижных направляющих лопаток, причем направляющие лопатки образуют по меньшей мере одно кольцо направляющих лопаток.
Из практики известно о регулировании направляющих лопаток кольца направляющих лопаток турбомашины с помощью устройства регулирования направляющих лопаток таким образом, что направляющие лопатки поворачиваются вокруг оси направляющих лопаток, продолжающейся в радиальном направлении ротора.
Известное из практики устройство регулирования направляющих лопаток содержит приводной вал, с которым может быть соединен приводной двигатель и который может приводиться в движение с помощью приводного двигателя. В известном из практики устройстве регулирования направляющих лопаток вращение приводного вала с помощью приводного двигателя передается на все направляющие лопатки кольца направляющих лопаток с помощью управляющего кольца, так что соответственно все направляющие лопатки кольца направляющих лопаток регулируются или поворачиваются опосредованно приводным валом посредством управляющего кольца. В рассматриваемом случае известное из практики управляющее кольцо устройств регулирования направляющих лопаток может поворачиваться в окружном направлении, однако оно не может перемещаться в осевом направлении и радиальном направлении.
Известные из практики устройства регулирования направляющих лопаток имеют недостаток, состоящий в возникновении значительного трения. Кроме того, указанные устройства регулирования направляющих лопаток подвергаются воздействию значительных скручивающих нагрузок. По этой причине известные из практики устройства регулирования направляющих лопаток должны иметь соответствующие большие размеры. Однако это является недостатком, учитывая ограниченное установочное пространство, доступное в турбомашинах.
Таким образом, настоящее изобретение основано на задаче создания устройства регулирования направляющих лопаток нового типа для турбомашины и турбомашины, имеющей такое устройство регулирования направляющих лопаток.
Указанная задача решена с помощью устройства регулирования направляющих лопаток по п. 1 формулы изобретения.
Приводной вал непосредственно соединен с одной из направляющих лопаток кольца направляющих лопаток таким образом, что эта направляющая лопатка кольца направляющих лопаток, приводимая валом, непосредственно поворачивается без вмешательства управляющего кольца. Приводной вал или указанная направляющая лопатка, которая непосредственно приводится в движение приводным валом, шарнирно соединены с управляющим кольцом с помощью передающего рычага. Приводной вал опосредованно соединен с другими направляющими лопатками кольца направляющих лопаток таким образом, что другие направляющие лопатки кольца направляющих лопаток опосредованно поворачиваются приводным валом посредством управляющего кольца. Направляющие лопатки, которые опосредованно приводятся в движение, шарнирно соединены с управляющим кольцом с помощью других передающих рычагов. Управляющее кольцо может перемещаться в окружном направлении и в осевом направлении, так что силы в точках соединения управляющего кольца и передающих рычагов, которые шарнирно соединены с управляющим кольцом, направлены перпендикулярно указанным передающим рычагам.
Вышеуказанные признаки совместно позволяют уменьшить возникновение трения и скручивающих нагрузок. Одна из направляющих лопаток кольца направляющих лопаток непосредственно поворачивается приводным валом без вмешательства управляющего кольца. Другие направляющие лопатки кольца направляющих лопаток опосредованно поворачиваются приводным валом посредством управляющего кольца. Направляющая лопатка, которая непосредственно поворачивается или непосредственно соединена с приводным валом, шарнирно соединена с управляющим кольцом с помощью передающего рычага. Кроме того, направляющие лопатки кольца направляющих лопаток, которые опосредованно поворачиваются или опосредованно соединены с приводным валом, шарнирно соединены с управляющим кольцом с помощью передающих рычагов. В рассматриваемом случае управляющее кольцо выполнено с возможностью перемещения в окружном направлении и в осевом направлении и не перемещается только в радиальном направлении. По этой причине, в конечном счете, можно обеспечить, что силы в точках соединения управляющего кольца и передающего рычага, которые шарнирно соединены с управляющим кольцом, будут всегда направлены перпендикулярно передающим рычагам, так что опоры направляющих лопаток не будут подвергаться воздействию паразитных составляющих сил. В конечном счете, устройство регулирования направляющих лопаток может иметь меньшие размеры, поэтому для его установки требуется меньшее монтажное пространство.
По другой преимущественной разработке изобретения приводной вал или направляющая лопатка, которая непосредственно приводится в движение приводным валом, шарнирно соединены с управляющим кольцом многоэлементным передающим рычагом, причем первый сегмент многоэлементного передающего рычага жестко соединен с приводным валом или направляющей лопаткой, которая непосредственно приводится в движение приводным валом, а второй сегмент многоэлементного передающего рычага шарнирно соединен с управляющим кольцом. Предпочтительно, первый сегмент многоэлементного передающего рычага шарнирно соединен со вторым сегментом многоэлементным передающим рычагом с учетом образования двухэлементного передающего рычага. Это позволяет получить особо преимущественное соединение приводного вала или направляющей лопатки, которая непосредственно приводится в движение приводным валом, с управляющим кольцом.
По первому варианту изобретения направляющие лопатки, которые опосредованно приводятся в движение приводным валом, шарнирно соединены с управляющим кольцом с помощью цельных упруго деформируемых передающих рычагов. В соответствии с другим техническим решением по второму варианту изобретения направляющие лопатки, которые опосредованно приводятся в движение приводным валом, шарнирно соединены с управляющим кольцом с помощью многоэлементных передающих рычагов, причем первый сегмент каждого из этих многоэлементных передающих рычагов жестко соединен с соответствующей направляющей лопаткой, а второй сегмент каждого из этих многоэлементных передающих рычагов шарнирно соединен с управляющим кольцом. Во втором варианте первый сегмент соответствующего многоэлементного передающего рычага предпочтительно шарнирно соединен со вторым сегментом соответствующего многоэлементного передающего рычага с учетом образования двухэлементного передающего рычага. Два указанных варианта позволяют получить преимущественное соединение опосредованно поворачиваемых направляющих лопаток с управляющим кольцом. Первый вариант с цельными передающими рычагами между управляющим кольцом и направляющими лопатками, которые опосредованно приводятся в движение приводным валом, имеет более простую конструкцию по сравнению со вторым вариантом с многоэлементными передающими рычагами. Однако второй вариант с многоэлементными передающими рычагами имеет более компактную конструкцию.
Турбомашина определена в п. 10 формулы изобретения.
Другие предпочтительные разработки изобретения получены из зависимых пунктов формулы изобретения и приведенного ниже описания. Иллюстративные варианты осуществления изобретения подробно описаны со ссылкой на чертежи без ограничения.
На фиг. 1 показан перспективный вид части турбомашины в области кольца направляющих лопаток и устройства регулирования направляющих лопаток кольца направляющих лопаток;
на фиг. 2 - вид в плане конструкции из фиг. 1 в первом состоянии;
на фиг. 3 - вид сбоку части конструкции из фиг. 2;
на фиг. 4 - вид в плане конструкции из фиг. 1 во втором состоянии;
на фиг. 5 - вид сбоку части конструкции из фиг. 4;
на фиг. 6 - частичный вид в разрезе другого устройства регулирования направляющих лопаток;
на фиг. 7 - частичный вид в разрезе другого устройства регулирования направляющих лопаток из фиг. 6, повернутый на 90° относительно вида из фиг. 1;
на фиг. 8 - перспективный вид конструкции из фиг. 7 без корпуса;
на фиг. 9 - фрагмент конструкции из фиг. 8;
на фиг. 10 - часть устройства регулирования направляющих лопаток;
на фиг. 11 - другой вариант конструкции из фиг. 10;
на фиг. 12 - вариант конструкции из фиг. 8;
на фиг. 13 - часть конструкции из фиг. 12; и
на фиг. 14 - другой вариант конструкции из фиг. 13.
Настоящее изобретение относится к устройству регулирования направляющих лопаток турбомашины и к турбомашине, имеющей по меньшей мере одно такое устройство регулирования направляющих лопаток.
Специалисту в этой области техники известна принципиальная конструкция турбомашины, описанной в настоящей заявке. Для полноты картины в настоящей заявке указано, что турбомашина содержит ротор с установленными на нем рабочими лопатками и статор с установленными на нем направляющими лопатками.
Рабочие лопатки ротора образуют по меньшей мере один ряд рабочих лопаток, причем указанный или каждый ряд рабочих лопаток вращается вместе с валом ротора. Направляющие лопатки статора образуют по меньшей мере одно кольцо направляющих лопаток, которое прикреплено к корпусу на стороне статора.
На фиг. 1 показана часть турбомашины в области кольца 20 направляющих лопаток, состоящего из множества направляющих лопаток 21. Каждая из направляющих лопаток 21 содержит хвостовик лопатки или цапфу 22 лопатки и перо 23 лопатки, причем хвостовик 22 соответствующей направляющей лопатки 21 ориентирован радиально наружу и закреплен в конструкции 24 корпуса турбомашины.
Настоящее изобретение относится к устройству регулирования направляющих лопаток 21 такого кольца 20 направляющих лопаток, с помощью которого направляющие лопатки 21 можно поворачивать вокруг осей 25 направляющих лопаток 21, продолжающихся в радиальном направлении ротора турбомашины, который не показан.
Соответственно, хвостовики 22 направляющих лопаток 21 установлены в конструкции 24 корпуса с возможностью поворота, а именно таким образом, что каждую из направляющих лопаток 21 можно поворачивать вокруг соответствующей оси 25 направляющей лопатки, продолжающейся в радиальном направлении.
Устройство регулирования направляющих лопаток для поворачивания направляющих лопаток 21 кольца 20 вокруг их осей 25, продолжающихся в радиальном направлении, содержит приводной вал 26, который может быть соединен с непоказанным приводным двигателем и может приводиться в движение указанным приводным двигателем.
Приводной вал 26 непосредственно соединен с одной из направляющих лопаток 21 кольца 20 направляющих лопаток, а именно таким образом, что указанная направляющая лопатка 21 кольца 20 направляющих лопаток может непосредственно поворачиваться приводным валом 26.
Приводной вал 26 предпочтительно продолжается соосно с цапфой 22 указанной непосредственно поворачивающейся лопатки 21 или соосно с осью 25 указанной непосредственно поворачивающейся лопатки 21.
Кроме того, устройство регулирования направляющих лопаток содержит управляющее кольцо 27. Приводной вал 26 или направляющая лопатка 21, которая непосредственно приводится в движение приводным валом 26, шарнирно соединены с управляющим кольцом 27 с помощью передающего рычага 28.
Приводной вал 26 опосредованно соединен с другими направляющими лопатками 21 кольца 20 направляющих лопаток с помощью управляющего кольца 27, так что остальные направляющие лопатки 21 кольца 20 направляющих лопаток могут опосредованно поворачиваться приводным валом 26, а именно посредством управляющего кольца 27, которое передает вращение приводного вала 26 остальным направляющим лопаткам 21 кольца 20 направляющих лопаток. Эти направляющие лопатки 21 кольца 20 направляющих лопаток, которые можно опосредованно приводить в движение или поворачивать приводным валом 26, шарнирно соединены с управляющим кольцом 27 с помощью дополнительных передающих рычагов 29.
Управляющее кольцо 27, с которым, с одной стороны, соединена направляющая лопатка 21, которая непосредственно регулируется приводным валом 26 через передающий рычаг 28, и, с другой стороны, соединены направляющие лопатки 21, которые опосредованно поворачиваются приводным валом 26, может перемещаться в окружном направлении U и в осевом направлении A. За счет возможности смещения управляющего кольца 27 в окружном направлении U и осевом направлении A и с помощью шарнирного соединения передающих рычагов 28 и 29 с управляющим кольцом 27 силы, которые во время поворачивания направляющих лопаток 21 действуют в точках соединения управляющего кольца 27 и передающих рычагов 28, 29, шарнирно соединенных с управляющим кольцом 27, всегда направлены перпендикулярно передающим рычагам 28, 29.
Благодаря вышеуказанным признакам устройства регулирования направляющих лопаток в нем уменьшается трение, и исключаются паразитные составляющие сил, которые по существующему уровню техники действуют на передающие рычаги. Благодаря этому опоры 30 направляющих лопаток, с помощью которых направляющие лопатки установлены с возможностью поворота в конструкции корпуса 24, подвергаются меньшей нагрузке. Как показано на фиг. 6, каждая направляющая лопатка закреплена в радиальном и осевом направлении в двух местах с помощью опор 30.
Приводной вал 26 или направляющая лопатка 21, которая непосредственно приводится в движение цапфой 22 направляющей лопатки 21, шарнирно соединены с управляющим кольцом 27 с помощью многоэлементного передающего рычага 28. Указанный многоэлементный передающий рычаг 28 содержит по меньшей мере один первый сегмент 31, жестко соединенный с приводным валом 26 или направляющей лопаткой 21, которая непосредственно приводится в движение приводным валом 26, и второй сегмент 32, который шарнирно соединен с управляющим кольцом 27. Предпочтительно, указанный передающий рычаг 28, который служит для соединения непосредственно поворачиваемой направляющей лопатки 21 или приводного вала 26 с управляющим кольцом 27, выполнен в виде двухэлементного передающего рычага, причем первый сегмент 31 и второй сегмент 32 указанного передающего рычага соединены шарнирно. В показанном предпочтительном иллюстративном варианте осуществления изобретения между первым сегментом 31 двухэлементного передающего рычага 28 и его вторым сегментом 32 образованы две сферические шарнирные опоры 33. Кроме того, еще одна сферическая шарнирная опора 34 образована между вторым сегментом 32 указанного передающего рычага 28 и управляющим кольцом 27.
В иллюстративных вариантах выполнения устройства регулирования направляющих лопаток, показанных на фиг. 1-9, направляющие лопатки 21, которые опосредованно приводятся в движение приводным валом 26, соединены с управляющим кольцом 27 передающими рычагами 29, которые в иллюстративных вариантах осуществления изобретения, показанных на фиг. 1-9, сходным образом выполнены в виде двухэлементных передающих рычагов 29. Каждый из указанных передающих рычагов 29 содержит первый сегмент 35, который жестко соединен с соответствующей направляющей лопаткой 21, и второй сегмент 36, который шарнирно соединен с управляющим кольцом 27, причем в иллюстративных вариантах осуществления изобретения, показанных на фиг. 1-9, указанные передающие рычаги 29, весьма сходные с передающим рычагом 28, также представляют собой двухэлементные передающие рычаги 29. В этом случае первый сегмент 35 соответствующего передающего рычага 29 шарнирно соединен со вторым сегментом 36 указанного передающего рычага, причем по иллюстративным вариантам осуществления изобретения, показанным на фиг. 1-9, между первым сегментом 35 соответствующего передающего рычага 29 и соответствующим вторым сегментом 36 указанного передающего рычага образованы две сферические шарнирные опоры 37, а между вторым сегментом 36 соответствующего передающего рычага 29 и управляющим кольцом 27 образована сферическая шарнирная опора 38.
Как описано выше, управляющее кольцо 27 может смещаться в окружном направлении и осевом направлении относительно конструкции корпуса 24 и может направляться или только фиксироваться в радиальном направлении. На фиг. 10 и 11 отдельно показано такое управляющее кольцо 27, причем внутренняя поверхность 39 скольжения управляющего кольца 27, показанного на фиг. 10, предпочтительно покрыта скользким лаком или материалом PTFE для уменьшения трения на этой поверхности.
На фиг. 11 показана другая конфигурация управляющего кольца 27, которое, в отличие кольца, показанного на фиг. 10, образовано не в виде цельного компонента, а из множества частей и содержит множество так называемых скользящих опор 40, которые соединены с возможностью отсоединения от корпуса 41 управляющего кольца 27. Скользящие опоры 40 препятствуют перекосу управляющего кольца 27 во время перемещения указанного кольца в осевом направлении и окружном направлении и обеспечивают установку управляющего кольца 27 на конструкции корпуса 24 без зазора. Скользящие опоры 40 изготавливают с возможностью замены и преимущественно из материала с надлежащими характеристиками скольжения и, соответственно, с низкими значениями трения. Скользящие опоры 40 шарнирно соединены с корпусом 41 с помощью держателей 40a скользящих опор, так что каждая опора установлена с возможностью поворота вокруг оси, которая расположена по касательной к окружности и перпендикулярно к оси поворота управляющего кольца 27.
Как описано выше, все передающие рычаги 28, 29 в иллюстративных вариантах осуществления изобретения, показанных на фиг. 1-9, выполнены из двух частей, т.е. передающий рычаг 28, который соединяет приводной вал 26 или направляющую лопатку 21, непосредственно приводимую в движение приводным валом 26, с управляющим кольцом 27, и передающие рычаги 29, которые соединяют управляющее кольцо 27 с направляющими лопатками 21, опосредованно приводимыми в движение приводным валом 26, причем в области каждого из передающих рычагов 28, 29 в каждом случае образованы три сферические шарнирные опоры, с помощью которых, как видно, в частности, из сравнения фиг. 3 и 5, можно компенсировать смещение по высоте или радиальное смещение между соответствующим передающим рычагом 28, 29 и управляющим кольцом 27, которое изменяется во время поворота и осевого перемещения управляющего кольца 27.
На фиг. 12-14 показаны иллюстративные варианты осуществления изобретения, в которых передающие рычаги 29, служащие для соединения направляющих лопаток, которые опосредованно приводятся в движение приводным валом 26, с управляющим кольцом 27, образованы как цельные упруго деформируемые предающие рычаги 29. Соответственно, в иллюстративных вариантах осуществления изобретения, показанных на фиг. 12-13, цельные упруго деформируемые передающие рычаги 29 соединены на конце, прикрепленном к соответствующей направляющей лопатке 21, и на противоположном конце с управляющим кольцом 27 с помощью сферической шарнирной опоры 42. В переходной секции 43 между этими двумя концами соответствующего передающего рычага 29 указанный передающий рычаг является упруго деформируемым для компенсации смещения по высоте или радиального смещения, которое изменяется во время перемещения в окружном направлении и осевого перемещения управляющего кольца 27, между управляющим кольцом 27 и опосредованно смещаемыми направляющими лопатками 21.
Иллюстративный вариант осуществления изобретения, показанный на фиг. 14, отличается от иллюстративного варианта осуществления изобретения, показанного на фиг. 12 и 13, определенным вариантом выполнения передающих рычагов 28 и 29.
Несмотря на то, что в иллюстративном варианте осуществления изобретения, показанном на фиг. 12 и 13, точно так же, как и в иллюстративных вариантах осуществления изобретения, показанных на фиг. 1-9, сегменты 31 и 32 передающего рычага 28 по существу расположены в осевом направлении друг за другом, эти сегменты 31 и 32 передающего рычага 28 по существу расположены сверху друг друга в радиальном направлении в иллюстративном варианте осуществления изобретения, показанном на фиг. 14.
Другое отличие иллюстративного варианта осуществления изобретения, показанного на фиг. 14, от иллюстративного варианта осуществления изобретения, показанного на фиг. 2 и 3, состоит в геометрическом построении контура цельных передающих рычагов 29, которые являются упруго деформируемыми в переходной секции 43 между двумя концами указанных рычагов и, следовательно, имеют относительно тонкую стенку в этой переходной секции 43 по сравнению с другими секциями.
Общим между всеми иллюстративными вариантами осуществления изобретения является то, что направляющая лопатка 21 кольца 20 направляющих лопаток непосредственно приводится в движение приводным валом 26. Приводной вал 26 или непосредственно приводимая в движение направляющая лопатка 21 соединены с управляющим кольцом 27. Указанное соединение предпочтительно осуществляется с помощью двухэлементного поворотного передающего рычага 28 предпочтительно с тремя сферическими шарнирными опорами. Все остальные направляющие лопатки 21 кольца 20 направляющих лопаток опосредованно приводятся в движение приводным валом 26, с помощью управляющего кольца 27, причем эти направляющие лопатки 21 соединены с управляющим кольцом 27 с помощью других передающих рычагов 29. Управляющее кольцо 27 установлено в радиальном направлении на одной линии с осью вращения ротора, который не показан и может выполнять совмещенные осевое линейное перемещение и вращательное движение в окружном направлении. Передающие рычаги 29, которые служат для соединения опосредованно регулируемых направляющих лопаток с управляющим кольцом 27, аналогично передающему рычагу 28, который служит для непосредственного соединения регулируемой направляющей лопатки 21 с управляющим кольцом 27, могут быть выполнены в виде многоэлементных частей или цельного компонента. Использование сферических шарнирных опор в области передающих рычагов 28, 29 является предпочтительным, но также можно использовать шарнирные соединения.
На фиг. 1-5 передающие рычаги 28, 29 прикреплены к расположенным в радиальном направлении наружным концам хвостовиков лопаток снаружи конструкции 24 корпуса. На фиг. 6 и 7 передающие рычаги 28, 29 прикреплены между опорами 30 передающих рычагов 28, 29.
С помощью устройства регулирования направляющих лопаток по изобретению можно выполнять оптимальное регулирование направляющих лопаток кольца направляющих лопаток, т.е. с учетом обеспечения низкого суммарного коэффициента трения и низкой скручивающей нагрузки, исключая при этом паразитные составляющие сил. Устройство регулирования направляющих лопаток настоящего изобретения обеспечивает эффективную кинематику для смещения направляющих лопаток кольца направляющих лопаток с низкими нагрузками на компоненты, в результате чего в турбомашине, в которой установлено указанное устройство регулирования направляющих лопаток, можно использовать высокое всасывающее давление.