ТУРБОМАШИНА С ВЕРТИКАЛЬНЫМ ВАЛОМ
TURBO MACHINE WITH VERTICAL ROTOR

Изобретение относится к области техники турбомашин.
Традиционно турбомашина содержит, по меньшей мере, один вал, соединенный, по меньшей мере, с одним турбинным колесом (причем турбинное колесо может быть свободным или сопряженным), причем вал расположен горизонтально, то есть его ось ориентирована в направлении, которое, по существу, является перпендикулярным направлению силы тяжести. Для удержания вала в правильном положении и поддержания его веса вдоль вала распределено множество подшипников, как правило, два подшипника. Следовательно, в турбомашине, содержащей последовательно от входа до выхода: компрессор, камеру сгорания и турбину, один подшипник расположен перед компрессором, а другой подшипник расположен после камеры сгорания. Это приводит к нескольким недостаткам.
Первый недостаток состоит в том, что валы зачастую являются длинными и тяжелыми и несмотря на точечную опору, обеспеченную посредством каждого подшипника, остаются длинные части, которые висят свободно и в которых вал может деформироваться под действием своего собственного веса и веса удерживаемого им турбинного колеса (колес). Такая статическая деформация изменяет прямизну вала и создает разбалансировку во время работы турбомашины и вращения вала вокруг его оси.
Второй недостаток связан с наличием множества подшипников, поскольку в силу их наличия увеличивается вес турбомашины и уменьшается ее эффективность.
И наконец, третий недостаток состоит в том, что подшипник, который расположен после камеры сгорания, находится в зоне турбомашины, которая является чрезвычайно горячей, где он подвергается высоким уровням теплового напряжения. Для гарантии правильной работы подшипника и во избежание какого-либо риска его схватывания необходимо обеспечение системы охлаждения, традиционно использующей схему масляного охлаждения. Такая система охлаждения сложна в установке и обслуживании, и она увеличивает затраты на производство и обслуживание турбомашины, а также дополнительно увеличивает ее вес.
Цель изобретения заключается в минимизации, по существу, по меньшей мере, одного из вышеупомянутых недостатков.
Эта цель достигается посредством турбомашины, имеющей, по меньшей мере, один вал, на котором установлено, по меньшей мере, одно турбинное колесо, причем вал ориентирован, по существу, вертикально в ситуациях нормального использования турбомашины, причем вал удерживается посредством одного подшипника.
Нужно заметить, что вышеупомянутое турбинное колесо может с одинаковым успехом быть частью как сопряженной турбины, так и свободной турбины турбомашины. Сопряженная турбина является турбиной, которая механически сопряжена с компрессором турбомашины, в то время как свободная турбина является турбиной, которая механически не зависит от компрессора.
В настоящем описании вертикальное направление соответствует направлению силы тяжести. Следовательно, ориентированный "вертикально" означает ориентированный "в направлении силы тяжести". Наречие "по существу" используется, для обозначения того, что направление, в котором ориентирован вал, может незначительно отклоняться от вертикального направления.
Термин "ситуации нормального использования турбомашины" используется для обозначения ситуаций, в которых турбомашина установлена на борту транспортного средства, в частности летательного аппарата (и в этом случае турбомашина образована, например, посредством турбореактивного двигателя или турбовального двигателя), причем транспортное средство перемещается горизонтально (по земле, по воде или в воздухе), или в действительности турбомашина установлена на участке промышленного производства (и в этом случае турбомашина может состоять, например, из наземной газовой турбины). Турбомашина может быть работающей или остановленной. Следовательно, в частности, ситуации, предполагающие транспортирование перед установкой или ремонт турбомашины, не составляют "ситуации нормального использования".
Может быть понятно, что посредством установки вала в вертикальном направлении, вал больше не висит свободно таким образом, что может привести к статической деформации, которая может изменить его прямизну в результате его собственного веса и в результате веса турбинного колеса. В отличие от предшествующего уровня техники турбомашин вал согласно изобретению, таким образом, не подвергается радиальным статическим силам (то есть силам, действующим перпендикулярно направлению оси вала и пересекающим вышеупомянутую ось). Естественно, поскольку вал, подобным образом, подвергается небольшой осевой силе или не подвергается ей вообще (то есть силе, действующей вдоль оси вала), то нет никакого риска деформации вала и изменения его прямизны. Вес вала и турбинного колеса представляют силу, которая является незначительной для вала в его осевом направлении. Это гарантирует, что вал останется прямым.
Кроме того, поскольку вал расположен вертикально, то нет никакой необходимости, как в предшествующем уровне техники, удерживать вал посредством множества подшипников, распределенных вдоль его длины для поддержания его веса. Вал может удерживаться правильно посредством его удержания в одном положении посредством одиночного подшипника. Естественно, одиночный подшипник должен подходить для поддержки веса агрегата, состоящего из вала и турбинного колеса (колес), в осевом направлении.
Кроме того, в ситуациях нормального использования во время работы турбомашины вал стабилизируется вокруг исходного положения его оси (то есть положения его оси при остановке) посредством гироскопического эффекта. Гироскопический эффект является тенденцией любого тела, которое быстро вращается вокруг оси, противодействовать любой силе, стремящейся к изменению направления его оси вращения. Следовательно, положение оси вала остается одинаковым внутри турбомашины в любой ситуации нормального использования турбомашины, во-первых благодаря подшипнику (который удерживает вал в его исходном положении внутри турбомашины и удерживает ее вес, когда турбомашина остановлена), и во-вторых в результате гироскопического эффекта (который стабилизирует вал о его исходном положении внутри турбомашины, в то время как турбомашина работает).
Кроме того, поскольку турбомашина имеет одиночный подшипник, то снижается вес по сравнению с турбомашинами предшествующего уровня техники, которые имеют множество подшипников. Следовательно, турбомашина согласно изобретению легче по весу и, следовательно, имеет улучшенную эффективность по сравнению с турбомашинами предшествующего уровня техники.
Одиночный подшипник также позволяет достигнуть экономии пространства внутри турбомашины. Одиночный подшипник турбомашины согласно изобретению занимает меньше пространства, чем множество подшипников в турбомашинах предшествующего уровня техники. Эта экономия пространства позволяет, в частности, турбомашине согласно изобретению быть более компактной, чем турбомашины предшествующего уровня техники, например, посредством укорачивания вала.
Нужно заметить, что термин "одиночный подшипник" используется для обозначения агрегата, включающего в себя одиночное кольцо, поддерживающее вал, или агрегата, включающего в себя множество расположенных рядом колец, поддерживающих вал, и, поскольку эти расположенные рядом поддерживающие кольца распределены на протяжении менее чем 10% длины вала.
Предпочтительно турбомашина имеет горячую зону и одиночный подшипник расположен за пределами горячей зоны.
Традиционно в турбомашине горячая зона является зоной, находящейся вблизи и непосредственно после камеры сгорания, в которой (свободные и/или сопряженные) расположены турбины, которые приводятся в действие посредством горячего газа.
Следовательно, можно понимать, что подшипник может быть расположен в любой зоне вдоль вала за пределами горячей зоны. В частности, подшипник может быть расположен перед камерой сгорания или за пределами зоны, которая находится непосредственно после камеры сгорания.
В варианте осуществления, в частности, если турбомашина является турбореактивным двигателем или турбинным двигателем вертолета, то подшипник располагается в холодной зоне турбомашины, то есть в зоне, где температура не превышает 200°C (двести градусов по Цельсию).
В другом варианте осуществления подшипник расположен в горячей зоне турбомашины. При таких обстоятельствах для защиты одиночного подшипника от высоких температур его размещение ограничено зоной, которая охлаждается, и/или зоной, которая защищена посредством теплозащитного экрана.
Нужно заметить, что в настоящем описании термины "перед" или "после" относятся к нормальному направлению потока газа через турбомашину.
Предпочтительно турбомашина имеет камеру сгорания и одиночный подшипник расположен перед вышеупомянутой камерой сгорания.
Температура газа перед камерой сгорания ниже, чем температура газа после камеры сгорания. Следовательно, посредством расположения подшипника перед камерой сгорания гарантируется, что подшипник расположен в среде, в которой он подвергается тепловому напряжению, которое меньше, чем тепловое напряжение, которому он бы подвергался при его расположении после камеры сгорания. Это тепловое напряжение перед камерой сгорания достаточно мало для того, чтобы избежать повреждения подшипника, и для подшипника не требуется никакого устройства охлаждения.
Предпочтительно турбомашина имеет компрессор и одиночный подшипник располагается перед компрессором.
Предпочтительно турбомашина имеет компрессор, первую турбину и вторую турбину, причем вышеупомянутый вал составляет первый вал, несущий на себе, по меньшей мере, одно турбинное колесо, являющееся частью одного из элементов, выбранного из первой турбины и второй турбины, и вышеупомянутый один подшипник составляет первый одиночный подшипник.
Например, в одном варианте первая турбина является сопряженной турбиной, в то время как вторая турбина является свободной турбиной. В другом варианте первая турбина является турбиной, сопряженной с каскадом высокого давления, в то время как вторая турбина является турбиной, сопряженной с каскадом низкого давления.
Предпочтительно турбомашина также включает в себя второй вал, который ориентирован, по существу, вертикально в ситуациях нормального использования турбомашины, причем на вышеупомянутом втором валу установлено, по меньшей мере, одно турбинное колесо, являющееся частью другого элемента, выбранного из первой турбины и второй турбины, причем вышеупомянутый второй вал удерживается посредством второго одиночного подшипника.
Предпочтительно первый и второй валы являются коаксиальными. Кроме того, первый вал предпочтительно проходит внутри второго вала. Также предпочтительно первый и второй одиночные подшипники расположены перед компрессором.
В варианте осуществления турбомашина согласно изобретению является (то есть образует) турбореактивным двигателем или турбовальным двигателем летательного аппарата. Предпочтительно турбомашина согласно изобретению является (то есть образует) турбовальным двигателем вертолета.
Изобретение и его преимущества могут быть лучше поняты при прочтении следующего подробного описания вариантов осуществления изобретения, данных в качестве неограничивающих примеров. Описание относится к сопроводительным чертежам, на которых:
Фиг.1 является схематическим продольным сечением, изображающим первую иллюстративную турбомашину; и
Фиг.2 является схематическим продольным сечением, изображающим вторую иллюстративную турбомашину.
Фиг.1 изображает первую иллюстративную турбомашину 10, изображенную схематически на продольном сечении по оси X турбомашины 10. Ось X турбомашины 10 ориентирована вертикально, то есть параллельно направлению силы G тяжести, представленной посредством жирной стрелки. Стрелки с пунктирной линией указывают направление потока газа через турбомашину.
Турбомашина 10 включает в себя вал 12, который ориентирован вертикально и удерживается посредством одиночного подшипника 14, причем турбомашина изображается в ситуации нормального использования. Турбомашина 10 включает в себя компрессор 16, сопряженную турбину 18 и свободную турбину 20, вал 12, составляющий первый вал, на котором установлено турбинное колесо, являющееся частью свободной турбины 20, и одиночный подшипник 14, составляющий первый одиночный подшипник.
В изображенном примере, каждая из свободной турбины 20 и сопряженной турбины 18 имеют исключительно одно турбинное колесо. Естественно, в одном варианте, сопряженная турбина и/или свободная турбина могут представлять собой множество турбинных колес.
Турбомашина 10 также имеет второй вал 22, аналогично ориентированный вертикально, на втором валу 22 установлено турбинное колесо, являющееся частью сопряженной турбины 18, причем второй вал 22 удерживается посредством второго одиночного подшипника 24.
Первый вал 12 является коаксиальным со вторым валом 22 и проходит внутри него.
Первый и второй одиночные подшипники 14 и 24 расположены перед компрессором 16.
Первый вал 12, на котором установлена свободная турбина 20, механически соединен с устройством передачи силы (не показано) для использования движущей силы, генерируемой посредством турбомашины 10.
Турбомашина 10 также имеет камеру 26 сгорания, имеющую кольцевую форму вокруг оси X, причем первый и второй подшипники 14 и 24 расположены перед камерой 26 сгорания. Нужно заметить, что в этом примере как компрессор 16, так и сопряженная турбина 18 удерживаются посредством второго вала 22, в то время как свободная турбина 20 удерживается посредством первого вала 12. Камера 26 сгорания является стационарной и удерживается посредством корпуса турбомашины 10. Кроме того, свободная турбина 20 расположена после сопряженной турбины 18.
Газ с температурой окружающей среды проникает в турбомашину 10 через газовпускное отверстие 28. Затем газ сжимается посредством компрессора 16. После этого газ попадает в камеру 26 сгорания, где топливо впрыскивается и сжигается. Этот процесс нагревает газ. Затем горячий газ расширяется и охлаждается при прохождении через турбины 18 и 20. Сопряженная турбина 18 приводит в действие компрессор 16, в то время как свободная турбина 20 приводит в действие первый вал 12, который передает механическую энергию, полученную таким образом, на устройство передачи силы (не показано). Наконец, газ выпускается из турбомашины 10 через выпускное отверстие 30. Понятно, что температура газа уменьшается при прохождении от камеры 26 сгорания к свободной турбине 20, в общем, на всем пути к отверстию 30 для выпуска газа.
Следовательно, зона ZC, расположенная между входом камеры 26 сгорания и выходом свободной турбины 20, составляет горячую зону турбомашины 10. Следует заметить, что сопряженная и свободная турбины 18 и 20 расположены в зоне, находящейся сразу после камеры 26 сгорания.
Посредством помещения первого и второго одиночных подшипников 14 и 24 перед компрессором 16 рядом с газовпускным отверстием 28 первый и второй одиночные подшипники 14 и 24 располагаются за пределами горячей зоны ZC. В одном варианте первый и/или второй подшипники расположены за пределами горячей зоны ZC, после свободной турбины 20. Однако несмотря на то что ее могут выдерживать одиночные подшипники 14 и 24, окружающая температура в этом положении выше, чем перед горячей зоной ZC. Другими словами, она находится перед камерой 26 сгорания и, более конкретно, рядом с газовпускным отверстием 28, где подшипники 14 и 24 в наименьшей степени подвергаются тепловому напряжению.
В этом примере одиночный подшипник 14 имеет одно кольцо 14a поддержки вала, в то время как одиночный подшипник 24 имеет два кольца 24a и 24b поддержки вала. Для примера, эти кольца 14a, 24a, и 24b поддержки являются шариковыми подшипниками, роликовыми подшипниками и т.д.
Кроме того, подшипники 14 и 24 расположены в нижней части турбомашины 10 в вертикальном направлении (которое совпадает с осевым направлением X турбомашины 10). В более общем смысле, на фиг.1 и 2, нижняя часть соответствует нижним частям чертежей, в то время как верхняя часть соответствует верхним частям чертежей. Другими словами, нижняя часть является частью, к которой направлена сила G тяжести, а верхняя часть является противоположной частью.
На фиг.1, подшипники 14 и 24 удерживают валы 12 и 22 на их нижних концах. Следовательно, подшипники 14 и 24 удерживают валы 12 и 22 снизу. Другими словами, конструкция турбомашины 10 может представляться в качестве конструкции, "стоящей" на подшипниках 14 и 24. В этом примере газ впускается в турбомашину 10 снизу через нижнюю часть турбомашины 10 и выбрасывается сверху из верхней части турбомашины 10.
Фиг.2 изображает второй пример турбомашины 110, подобный первому примеру турбомашина 10. Подобные компоненты повторно не описываются, и им даются номера позиций, которые увеличены на 100.
Главное различие между турбомашиной 10 и турбомашиной 110 состоит в том, что они имеют противоположные направления, то есть элементы нижней части турбомашины 10 находятся в верхней части турбомашины 110 и наоборот. Следовательно, первый и второй одиночные подшипники 114 и 124 находятся в верхней части турбомашины 110, и они удерживают первый и второй валы 112 и 122 сверху, на их верхних концах. Другими словами, конструкция турбомашины 110 может рассматриваться в качестве конструкции, которая "свободно подвешена" на подшипниках 114 и 124. В этом примере газ впускается в турбомашину 110 сверху в главную часть турбомашина 110 и выбрасывается снизу из нижней части турбомашины 110.