ТУРБОКОМПРЕССОР Российский патент 1998 года по МПК F01D25/24 F02C7/06 

Изобретение относится к области энергетики и может быть использовано в качестве одного из основных агрегатов в газотурбинных установках (двигателях), а также в двигателях внутреннего сгорания для турбонаддува и в детандерных установках.

Известны различные компоновочные решения компрессоров с приводом от турбины ( турбокомпрессоров), применяемых в газотурбинных установках (двигателях) и в двигателях внутреннего сгорания с наддувом.

Известен "Турбовальный ГТД с осецентробежным двухступенчатым компрессором и осевой турбиной" [3].

К недостаткам данного технического решения можно отнести то, что в данной компоновке опоры располагаются на участке вала, передающем усилие от турбины к компрессору, т.е. на сравнительно большом диаметре, а также то, что затруднен доступ к таким опорам. Эти обстоятельства снижают эксплуатационную технологичность, т.к., чтобы заменить опоры, требуется полностью разобрать установку, а подшипники больших диаметров при высоких окружных скоростях не допускают консистентную смазку, подаваемую без прокачки.

Известен турбокомпрессор, содержащий центробежный компрессор и осевую турбину, расположенные на одном валу [2].

Данное техническое решение имеет аналогичные недостатки, отмеченные выше.

Наиболее близким техническим решением является турбокомпрессор в турбоприводе для использования энергии сжатого газа магистрального газопровода [1].

К недостатку данного технического решения следует отнести большое расстояние между опорами, что приводит конструкцию к понятию "гибкий вал", а следовательно, к его колебаниям на переходных режимах работы турбокомпрессора.

Целью изобретения является расширение арсенала технических средств и повышение надежности работы турбокомпрессора путем реализации одного из вариантов конструкции корпуса турбины, позволяющего максимально сократить расстояние между опорами и уменьшить деформацию конструкции от воздействия высоких температур.

Поставленная цель достигается тем, что в турбокомпрессоре, содержащем осевую турбину и два центробежных компрессора, рабочие колеса которых смонтированы по обе стороны турбины на одном валу, расположенном на опорах, а корпуса оснащены патрубками и сопловыми аппаратами подвода и отвода рабочих тел и перегородками с уплотнительными элементами, охватывающими вал, корпус турбины образован тремя коаксиально расположенными оболочками, первая из которых охватывает колесо турбины и выполнена в виде отрезка цилиндрической трубы с закрепленными на одном из ее торцов сопловым аппаратом, вторая удалена на заданное расстояние от первой и выполнена в виде части сферы с диаметрально расположенными отверстиями и патрубками подвода и отвода рабочего тела, третья удалена на заданное расстояние от второй и выполнена в виде цилиндрического каркаса жесткости с отверстиями прохода патрубков, в свою очередь первая и вторая оболочки соединены между собой наклонной к оси перегородкой, образующей с ними коллекторы подвода и отвода рабочего тела турбины, вторая и третья оболочки соединены между собой по торцам с помощью колец в виде фланцев крепления корпусов компрессоров, образующих с ними полость, сообщающуюся с окружающей средой.

Полость между второй и третьей оболочками заполнена теплоизолирующим материалом, например базальтовой ватой.

Опоры вала установлены по обе стороны турбины и выполнены в виде газостатических подшипников, при этом диск турбины выполнен в виде пяты двустороннего кольцевого газостатического подпятника.

Опоры вала установлены по обе стороны турбины и выполнены в виде газостатических подшипников, а на кольцах установлены подшипники качания с упругодемпферными обоймами.

Совокупность существенных признаков турбокомпрессора позволяет иные свойства в сравнении с известными решениями, заключающиеся в том, что предложенное компоновочное решение корпуса турбины, позволяет, во-первых, значительно уменьшить расстояние мелу опорами и, следовательно, повысить жесткость вала, во-вторых, снизить воздействие температуры на изменение линейных размеров конструктивных элементов и, следовательно, сохранить рабочие зазоры в турбине и компрессорах, в-третьих, внедрить газостатические подшипники с их расположением по обе стороны турбины и, следовательно, снизить радиальные и осевые силы, а в сочетании с реализацией подшипников качения обеспечить повышение надежности работы и эксплуатационной технологичности турбокомпрессора.

Таким образом, предложенное техническое решение соответствует критерию "изобретательский уровень".

На фиг. 1 приведен вариант турбокомпрессора с опорами качения или скольжения; на фиг. 2 - с газостатическими подшипниками.

Основными общими элементами турбокомпрессора для двух вариантов являются: 1 - турбина; 2 - первый компрессор; 3 - второй компрессор; 4 - вал; 5 - корпус первого компрессора; 6 - корпус второго компрессора; 7 - корпус турбины; 8 и 9 - фланцы (кольцо); 10 - цилиндрическая оболочка; 11 - сферическая оболочка (тонкостенная); 12 - каркас жесткости; 13 - сопловой аппарат; 14 - кольцевая перегородка; 15 - патрубок подвода; 16 - патрубок отвода; 17 - коллектор подвода; 18 - коллектор отвода; 19 - полость между сферической оболочкой и каркасом жесткости; 20 и 21 - перегородки в виде диска (дисковые перегородки); 22 и 23 - уплотнительные элементы.

К элементам, характеризующим вариант турбокомпрессора, представленного на фиг. 1, относятся: 24 - опоры-подшипники качения (с упругодемпферными обоймами); 25 - уплотнительный элемент полости подшипника; 26 - гайка крепления подшипника на валу.

К элементам, характеризующим вариант турбокомпрессора, представленного на фиг. 2, относятся: 27 - втулка газостатического подшипника; 28 - цапфа вала; 29 - пята двустороннего кольцевого газостатического подпятника.

Турбокомпрессор выполнен с осевой турбиной 1 и двумя центробежными компрессорами 2 и 3. Первый компрессор 2 и второй 3 могут представлять собой как первую и вторую ступень одного компрессора или могут быть выполнены независимыми. Рабочие колеса турбины и компрессора расположены на одном валу 4. Корпуса 5 и 6 компрессоров соединены с корпусом 7 турбины с помощью кольцевых элементов, выполненных в виде фланцев 8 и 9. Корпус турбины представляет собой три коаксиально расположенные оболочки, первая из которых цилиндрическая 10, вторая сферическая 11 и третья каркасная 12. Цилиндрическая оболочка имеет сопловой аппарат 13 турбины и соединена со сферической с помощью кольцевой перегородки 14. Поверхности сферической и цилиндрической оболочек и кольцевой перегородки совместно с патрубками подвода 15 и отвода 16 рабочего тела турбины, закрепленными на сферической оболочке, образуют коллектор подвода 17 и отвода 18 рабочего тела турбины. В свою очередь сферическая оболочка соединена с каркасом жесткости через вышеописанные фланцы 8 и 9 с образованием полости 19, сообщающейся с окружающей средой. Полость турбины разделена с полостями компрессоров дисковыми перегородками 20 и 21 с уплотнительными элементами 22 и 24.

Применительно к варианту турбокомпрессора, представленного на фиг. 1, на концах установлены опоры в виде подшипников качения 24, закрепленных гайкой 26, а их полости от утечки смазки защищены уплотнительными элементами 25.

Применительно к варианту турбокомпрессора, представленного на фиг. 2, опоры выполнены в виде газостатического подшипника и подпятника с втулкой 27, цапфой 28 и пятой 29, выполненной на рабочем колесе турбины. Из-за упрощения описания подвод воздуха к газостатическому подшипнику не показан (вместо воздуха можно применять любой газ).

Принцип работы предложенного турбокомпрессора ничем не отличается от работы известных турбокомпрессоров, поэтому его не следует описывать. Целесообразно в этом случае показать какие новые качества достигаются предложенной компоновкой и конструкцией отдельных элементов.

Во-первых, предложенная конструкция корпуса турбины в части совмещения коллекторов подвода и отвода рабочего тела турбины значительно сокращает длину вала на участке между рабочими колесами турбины и компрессоров.

Выполнение сферической оболочки тонкостенной, которая в процессе работы нагревается до температуры 700 - 900^oC и, следовательно, в сильной степени изменяет свои линейные размеры, в сочетании с каркасом жесткости, который находится под влиянием в основном температуры окружающей среды и, следовательно, изменяет свои линейные размеры незначительно, позволяет фланцам 8 и 9, а, следовательно, корпусам компрессоров сохранять свое местоположение при воздействии на корпус турбины высокой температуры.

С целью уменьшения лучистого теплового потока от сферической оболочки на каркас жесткости полость 19 можно заполнить теплоизолятором, например базальтовой ватой.

В случае выполнения уплотнительных элементов 22 и 23 в виде кольцевых щелей, охватывающих вал, представляется возможным ввести в полость турбины относительно холодный воздух, что позволит частично охладить рабочее колесо турбины и вал, а следовательно, уменьшить изменение линейных размеров вала.

Расположение опор на концах вала позволяет применить подшипники меньшего диаметра, а, следовательно, повысить обороты турбокомпрессора, т.е. выполнить его с меньшими размерами и применить консистентную смазку иди жидкую без прокачки, что повысит эксплуатационную технологичность.

Кроме того, в такой компоновке можно уменьшить ряд проблем, связанных с применением газостатических подпятников и подшипников, в которых зазоры соизмеримы с изменением размеров конструкции от температуры. Это достигается тем, что полость их расположения можно продувать воздухом утечек из компрессора. С другой стороны, в случае появления динамической неустойчивости имеется возможность реализации комбинированной опоры, т.е. на одном из концов вала установить подшипник качения, например, с упруго-демпферной обоймой.

Вышеописанные положительные качества позволяют предложенным решением расширить арсенал технических средств и повысить надежность работы турбокомпрессора в различных наземных энергоустановках.

Турбокомпрессор может быть использован в качестве одного из основных агрегатов в газотурбинных установках (двигателях), а также в двигателях внутреннего сгорания для турбонаддува и в детандерных установках. Турбокомпрессор содержит осевую турбину и два центробежных компрессора, рабочие колеса которых смонтированы по обе стороны турбины на одном валу, расположенном на опорах. Корпуса оснащены патрубками и сопловыми аппаратами подвода и отвода рабочих тел и перегородками с уплотнительными элементами, охватывающим вал. Корпус турбины образован тремя коаксиально расположенными оболочками. Первая оболочка охватывает колесо турбины и выполнена с сопловым аппаратом. Вторая оболочка удалена на заданное расстояние от первой, выполнена сферической с диаметрально расположенными отверстиями и патрубками подвода и отвода рабочего тела и соединена с первой наклонной кольцевой перегородкой, образующей соответствующие коллекторы. Третья оболочка удалена на заданное расстояние от второй, выполнена в виде цилиндрического каркаса жесткости и соединена со второй через фланцы крепления корпусов компрессоров. Полость между второй и третьей оболочками заполнена теплоизолирующим материалом. Опоры вала установлены по обе стороны турбины и выполнены в виде газостатических подшипников. Диск турбины выполнен в виде пяты двустороннего кольцевого газостатического подпятника. Опоры вала установлены по обе стороны турбины и выполнены в виде газостатических подшипников, а на концах вала установлены подшипники качения с упругодемпферными обоймами. Такое выполнение турбокомпрессора приводит к расширению арсенала технических средств и повышению надежности работы турбокомпрессора. 3 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Турбокомпрессор, содержащий осевую турбину и два центробежных компрессора, рабочие колеса которых смонтированы по обе стороны турбины на одном валу, расположенном на опорах, а корпуса оснащены патрубками и сопловыми аппаратами подвода и отвода рабочих тел и перегородками с уплотнительными элементами, охватывающими вал, отличающийся тем, что в нем корпус турбины образован тремя коаксиально расположенными оболочками, первая из которых охватывает колесо турбины и выполнена в виде отрезка цилиндрической трубы с закрепленным на одном из ее торцов сопловым аппаратом, вторая удалена на заданное расстояние от первой и выполнена в виде части сферы с диаметрально расположенными отверстиями и патрубками подвода и отвода рабочего тела, третья удалена на заданное расстояние от второй и выполнена в виде цилиндрического каркаса жесткости с отверстиями прохода патрубков, в свою очередь, первая и вторая оболочки соединены между собой наклонной к оси перегородкой, образующей с ними коллекторы подвода и отвода рабочего тела турбины, вторая и третья оболочки соединены между собой по торцам с помощью колец в виде фланцев крепления корпусов компрессоров, образующих с ними полость, сообщающуюся с окружающей средой. 2. Турбокомпрессор по п. 1, отличающийся тем, что в нем полость между второй и третьей оболочками заполнена теплоизолирующим материалом, например базальтовой ватой. 3. Турбокомпрессор по п.1, отличающийся тем, что в нем опоры вала установлены по обе стороны турбины и выполнены в виде газостатических подшипников, при этом диск турбины выполнен в виде пяты двустороннего газостатического подпятника. 4. Турбокомпрессор по п.1, отличающийся тем, что в нем опоры вала установлены по обе стороны турбины и выполнены в виде газостатических подшипников, а на концах вала установлены подшипники качения с упругодемферными обоймами.