РОТОР ДЛЯ ТУРБОМАШИНЫ
ROTOR FOR TURBOMACHINE

Изобретение относится к ротору для турбомашины, содержащему множество сегментов ротора, оснащенных соответственно центральным отверстием и расположенных на одной оси рядом друг с другом, отдельный продолжающийся через отверстия сегментов ротора стяжной болт и два зажимных устройства, расположенных на противоположных по оси концах стяжного болта и натягивающих сегменты ротора относительно друг друга.
Такие роторы известны из уровня техники в разных выполнениях и, они служат в турбомашинах для преобразования видов энергии друг в друга. Например, энергию потока и/или энтальпию рабочей среды можно преобразовывать в паровой-газовой турбине в энергию вращения ротора (ротора турбины). Альтернативно, вращающийся ротор можно использовать для всасывания любого газа и его уплотнения для дальнейшего применения в рамках промышленного процесса (ротор компрессора).
Известные роторы содержат множество сегментов ротора, оснащенных соответственно центральным отверстием и расположенных на одной оси рядом друг с другом. Некоторые из сегментов ротора выполнены в виде, так называемых дисков рабочего колеса, несущих соответственно венец радиально продолжающихся лопаток (рабочих лопаток). Кроме того, такой ротор содержит, по меньшей мере, один продолжающийся через отверстия сегментов ротора центральный стяжной болт. На противоположных по оси концах стяжного болта расположены два зажимных устройства, стягивающие сегменты ротора друг с другом.
Во время эксплуатации турбомашины в стяжном болте возбуждаются колебания. При этом нужно предотвращать частоты колебания стяжного болта величиной с собственную частоту или близкой к ней, так как такие резонансные колебания стяжного болта могут приводить к нарушению функционирования турбомашины или к повреждению, или разрушению стяжного болта.
Роторы турбины эксплуатируются, как правило, с низкой частотой вращения, соответствующие, по существу, промышленной частоте соответствующей электросети. Обычно собственные частоты, используемых в роторах турбины стяжных болтов, соответственно заметно выше этой частоты вращения, из-за чего вряд ли возможно возникновение вредных резонансных колебаний стяжного болта в ступенях турбины.
Иначе представляет собой ситуация для роторов компрессора, так как они эксплуатируются с наиболее высокими частотами вращения. Так как, чем выше частота вращения, тем больше достижимая мощность компрессора. Поскольку собственная частота стяжного болта ротора компрессора не может находиться ниже частоты вращения ротора компрессора, она является для мощности компрессора ограничивающим мощность фактором.
Исходя из этого, желательно увеличивать собственную частоту стяжного болта, в частности, ротора компрессора, определяемую, по существу, габаритами и свойствами материала стяжного болта, а также растягивающим усилием, прикладываемым к стяжному болту зажимными устройствами. Причем указанные факторы по-разному отражаются на собственной частоте стяжного болта.
Собственная частота стяжного болта тем ниже, чем длиннее свободная длина колебания стяжного болта. Вследствие множества дисков рабочего колеса и других сегментов ротора, длина ротора компрессора, а вместе с ним также проходящего через него стяжного болта, может стать вполне совместимой с относительно низкой собственной частотой стяжного болта, что сильно ограничивает возможные частоты вращения ротора компрессора.
Напротив, собственная частота стяжного болта настолько выше, чем больше прикладываемое зажимными устройствами к стяжному болту растягивающее усилие. Вследствие этого можно увеличивать собственную частоту стяжного болта посредством более сильного затягивания сегментов ротора относительно друг друга. Правда, растягивающее усилие стяжного болта нельзя увеличивать бесконечно, так как нельзя превышать максимально допустимое растягивающее усилие стяжного болта, обусловленное материалом стяжного болта и его габаритами, для предотвращения его повреждения или разрыва.
Поэтому на практике, в конструктивном плане, не всегда можно отрегулировать достаточно высокую собственную частоту стяжного болта для достижения желаемой мощности компрессора.
Эту проблему до настоящего времени решали, используя отличающиеся компоновки стяжного болта, состоящие, как правило, из нескольких, более коротких, автономно расположенных стяжных болтов. Однако недостатком этого решения является отсутствие возможности реализации преимуществ, предоставляемых отдельным центральным стяжным болтом таких, как, например, его простое изготовление и монтаж.
Другие роторы, указанного ранее типа, раскрыты в документах WO 2015/091436 A1, WO 2014/037321 A1 и JP 2006 138 255 A.
Поэтому задачей предложенного изобретения является создание усовершенствованного ротора, лишенного указанных недостатков и имеющим более высокие частоты вращения.
Для решения этой задачи с помощью данного изобретения создан ротор прежде указанной конструкции, сегменты ротора которого образуют, по меньшей мере, две группы сегментов ротора, между которыми располагается, по меньшей мере, другое зажимное устройство.
В основе изобретения лежит идея разделить сегменты ротора, по меньшей мере, на две группы сегментов ротора и предусмотреть между ними, по меньшей мере, другое зажимное устройство. Это, по меньшей мере, другое зажимное устройство используется для совместного с зажимным устройством со стороны конца натягивания сегментов ротора одной из обеих групп сегментов относительно друг друга. Сегменты ротора второй группы сегментов ротора натягивают затем посредством расположенным напротив друг друга со стороны конца зажимными устройствами относительно уже натянутой группы сегментов ротора. Таким образом первоначальная длина колебания стяжного болта делится на части между обоими зажимными устройствами со стороны конца на две более короткие длины колебания, вследствие чего первоначальная собственная частота стяжного болта заменяется двумя более высокими собственными частотами более коротких участков стяжного болта. Соответствующим образом увеличивается максимально возможная частота вращения ротора.
Стяжной болт содержит множество участков стяжного болта, расположенных на одной оси рядом друг с другом и относящихся к одной группе сегментов ротора. Такой разделенный на несколько участков стяжной болт может быть оптимально подогнан в отношении разных групп сегментов ротора и облегчать компоновку и функционирование других зажимных устройств между группами сегментов ротора.
Согласно изобретению, участки стяжного болта выполнены цилиндрическими, причем диаметры цилиндрических участков стяжного болта постепенно уменьшаются, исходя от конца стяжного болта, образуя ступенчатый внешний профиль. Такой ступенчатый стяжной болт обеспечивает простое манипулирование другими зажимными устройствами при установке и регулировке. Кроме того, такой стяжной болт можно изготавливать без проблем монолитным.
Согласно одному варианту исполнения данного изобретения, зажимные устройства содержат упорный элемент и с возможностью перемещения для затягивания прижимной элемент, с помощью которого сегменты ротора одной группы сегментов ротора нагружаются осевым усилием в направлении упорного элемента. Элементы упора и прижимной элементы представляют собой распространенные зажимные устройства для натягивания сегментов ротора относительно друг друга. При перемещении прижимного элемента в направлении упорного элемента можно нагружать сегменты ротора одной
группы сегментов ротора осевым растягивающим усилием стяжного болта.
Предпочтительно, если упорный элемент образован, по меньшей мере, сегментом ротора. Это уменьшает число необходимых зажимных устройств, а вследствие этого - необходимых для ротора компонентов.
Согласно варианту данного изобретения, по меньшей мере, один упорный элемент образован сегментом ротора, имеющим продолжающееся по оси резьбовое отверстие, в которое завинчивается выполненная на открытом конце стяжного болта наружная резьба. Этот сегмент ротора образует тогда конец стяжного болта и может служить, например, для установки ротора в корпусе турбомашины.
Согласно другому варианту данного изобретения, по меньшей мере, один упорный элемент может быть образован сегментом ротора расположенной рядом группы сегментов ротора.
Согласно изобретению, по меньшей мере, один прижимной элемент образован навинченной на наружную резьбу стяжного болта гайкой, расположенной, по меньшей мере, в определенной сегментом ротора приемной полости и прижимающейся к расположенному рядом сегменту ротора. Такие гайки представляют собой стандартизованные, легкодоступные детали, позволяющие точно регулировать приложенное на сегменты ротора усилие при соответственно небольшом шаге наружной резьбы стяжного болта.
Расположенные рядом цилиндрические участки стяжного болта могут также свинчиваться друг с другом, причем цилиндрический участок стяжного болта имеет продолжающееся по оси резьбовое отверстие, в которое завинчена наружная резьба, выполненная на открытом конце расположенного рядом цилиндрического участка стяжного болта. Разборный стяжной болт имеет преимущества при транспортировке и изготовлении. Резьбовые соединения облегчают соединение отдельных участков стяжного болта.
Другие признаки и преимущества данного изобретения становятся понятными посредством последующего описания одного варианта исполнения предлагаемого ротора со ссылкой на единственную фигуру, на которой показано поперечное сечение ротора согласно варианту исполнения данного изобретения.
На фигуре показан ротор 1 для турбомашины (не изображена), который может быть использован, например, в виде ротора компрессора в центробежном компрессоре. Ротор 1 содержит множество сегментов 2 ротора, расположенных на одной оси рядом друг с другом. Сегменты 2 ротора имеют торцевые зубья и снабжены соответственно центральным отверстием, через которые продолжается отдельный стяжной болт 3. Стяжной болт 3 содержит множество участков 4 стяжного болта, расположенных на одной оси рядом друг с другом. Участки 4 стяжного болта выполнены цилиндрическими, причем диаметры цилиндрических участков 4 стяжного болта постепенно уменьшаются, исходя от конца стяжного болта 3, образуя ступенчатый внешний профиль. Расположенные рядом цилиндрические участки 4 стяжного болта соединены друг с другом посредством резьбового соединения. Для этого соответственно один цилиндрический участок стяжного болта имеет продолжающееся по оси резьбовое отверстие 5, в которое завинчена наружная резьба 6, выполненная на открытом конце расположенного рядом цилиндрического участка 4 стяжного болта. Следует учесть, что цилиндрические участки стяжного болта могут быть также соединены или свинчены друг с другом другим способом. Возможно даже монолитное выполнение.
Кроме того, ротор 1 содержит зажимные устройства, расположенные на одной оси на противоположных концах стяжного болта 3 и натягивают сегменты 2 ротора относительно друг друга, а также другие зажимные устройства, расположенные между элементами 2 ротора.
С одной стороны, зажимные устройства содержат упорные элементы 7, в данном случае соответственно образованные сегментом 2 ротора. Для этого служащий в качестве упорного элемента 7 сегмент 2 ротора расположен на открытом конце стяжного болта 3 и имеет продолжающееся по оси резьбовое отверстие 5, в которое завинчена наружная резьба 6, выполненная на открытом конце стяжного болта 3. Однако упорные элементы 7 могут быть предусмотрены также в виде отдельных конструктивных элементов, не образующих сегмент 2 ротора.
С другой стороны, зажимные устройства содержат несколько с возможностью перемещения на одной оси для натягивания прижимных элементов 8, с помощью которых сегменты 2 ротора нагружаются осевым усилием в направлении соответственно связанных упорных элементов 7. Каждый прижимной элемент 8 образован в данном случае навинченной на наружную резьбу 6 стяжного болта 3 гайкой, расположенной в определенной сегментом 2 ротора приемной полости 9 и прижимающейся к этому сегменту 2 ротора. Однако, альтернативно, прижимные элементы могут быть образованы сегментами ротора, центральное отверстие которых сформовано, например, в виде резьбового отверстия.
Сегменты 2 ротора образуют в изображенном примере исполнения изобретения три группы 10 сегментов ротора, между которыми соответственно расположен упорный элемент 7 и прижимной элемент 8. При этом группа 10 сегментов ротора может содержать единственный сегмент 2 ротора или множество сегментов 2 ротора. Каждая группа 10 сегментов ротора соответствует одному цилиндрическому участку стяжного болта. Однако, количество групп 10 сегментов ротора может изменяться в зависимости от конструкции ротора 1.
Во время эксплуатации турбомашины ротор 1 вращается вокруг оси X вращения. Вращение ротора 1 приводит стяжной болт 3 к колебаниям, причем колебания стяжного болта 3 происходят в каждом цилиндрическом участке 4 стяжного болта изолированно. Так, как длины отдельных цилиндрических участков 4 стяжного болта короче длины всего стяжного болта 3, собственные частоты цилиндрических участков 4 стяжного болта соответственно заметно выше собственной частоты не разделенного на несколько участков стяжного болта одинаковой общей длины. Это обеспечивает, что частоты колебания стяжного болта 3 во время эксплуатации турбомашины остаются заметно ниже соответствующих собственных частот. Это надежно исключает возникновение вредных резонансных колебаний стяжного болта 3, во всяком случае, не отказываясь от присущих отдельному центральному стяжному болту 3 таких преимуществ, как, например, его простое изготовление и монтаж.
Хотя изобретение подробно проиллюстрировано и описано посредством предпочтительного примера выполнения, оно не ограничено известными примерами и, специалист может извлечь из них другие варианты, не выходя за рамки объема правовой охраны изобретения.