ГАЗОНАГНЕТАТЕЛЬНАЯ ТУРБИНА С РАДИАЛЬНЫМ ПРОХОЖДЕНИЕМ ПОТОКА Российский патент 1999 года по МПК F01D17/16 F02C6/12 

Изобретение относится к газонагнетательной турбине с радиальным прохождением потока с рядом отдельно установленных направляющих лопаток, вращающихся с помощью поворотных валов, установленных на подшипниках в корпусе, причем каждый поворотный вал приводится в действие с помощью качающегося рычага.

Подобные турбины достаточно известны, например, в газотурбинных нагнетателях. В качестве управляющего воздействия для ускорения и изменения вращающего момента возможна установка поворотных направляющих лопаток на турбине. Примером тому является EP 226444 B1 или EP 227475 B1. С поворотными направляющими лопатками турбины для данной производительности должен быть создан больший напор. Благодаря этому повышается мощность турбины, число оборотов турбины и, наконец, давление наддува. Для того, чтобы поворотные лопатки во время "горячего" режима работы не зажимало, они должны быть выполнены, как правило, с соответствующим зазором. Особенно в повернутом состоянии лопаток поток, проходящий через зазор в верхней и нижней части лопаток, сильно мешает прохождению основного потока в канале. В машине согласно EP 226441 B1 против этого принимаются меры, стенка канала корпуса рядом с вращаемой лопаткой выполнена с возможностью аксиального смещения и в процессе работы давит на поворотные лопатки.

Качающиеся рычаги, как правило, приводятся в действие, как следует из EP 227475 B1, при помощи общего кольца с канавками. Это кольцо должно вращаться и поэтому должно быть установлено на подшипниках. Далее диаметр ведущих валов поворотных лопаток выбирается меньшим, чем хорды поворотных лопаток. Это приводит к тому, что, например, в случае демонтажа лопаток качающийся рычаг должен быть отделен от поворотного вала.

В основе изобретения стоит задача упростить направляющий аппарат вместе с поворотным механизмом в газонагнетательных турбинах с радиальным прохождением потока вышеназванного типа.

Согласно изобретения это достигается следующим путем: хорда S каждой направляющей лопатки меньше, чем наибольший диаметр соответствующего поворотного вала, и, если рассматривать в аксиальном направлении, профиль каждой направляющей лопатки находится полностью внутри радиально внешнего контура соответствующего поворотного вала.

Преимущество изобретения заключается, главным образом, в том, что имеется возможность выполнить направляющую лопатку с соответствующим валом и качающийся рычаг как монолитный узел. Созданная таким образом конструктивная единица может помещаться в корпус и выниматься из него без вторжения во внутреннюю часть корпуса.

Целесообразно, когда каждая такая поворотная конструктивная единица выполнена с возможностью осевого перемещения и с помощью пружинных элементов может прижиматься к стенке канала корпуса, находящейся против верхнего конца направляющей лопатки. Так можно избежать зазоров на свободном верхнем конце направляющей лопатки.

Если каждый поворотный вал предусмотрен с двумя аксиально смежными опорными частями, было бы уместно предусмотреть в корпусе между опорными частями кольцевую камеру, куда подается сжатый воздух. Так можно, с одной стороны, охлаждать поворотный вал, а с другой стороны, предотвратить утечку рабочего вещества из канала наружу через опорные части.

Сущность изобретения поясняется ниже чертежами, на которых показано:
на фиг. 1 - схематичное изображение 4 цилиндрового двигателя внутреннего сгорания, загружаемого с помощью газотурбинного нагнетателя;
на фиг. 2 - частичный продольный разрез турбины;
на фиг. 3 - вид спереди на вращающийся механизм;
на фиг. 4 - деталь качающегося рычага с соединительной планкой;
на фиг. 5 - частичный вид вращающегося механизма с полностью открытой направляющей решеткой;
на фиг. 6 - частичный вид вращающегося механизма с полностью закрытой направляющей решеткой;
на фиг. 7 - частичный разрез опорного узла поворотного вала;
на фиг. 8 - часть варианта исполнения поворотного механизма.

Изображены лишь элементы, важные для понимания изобретения. На фиг. 1 не показан, например, корпус с подводами и отводами, ротор, включая опорный узел, и т.д. Направление прохождения рабочего вещества обозначено стрелками.

Данный на фиг. 1 двигатель внутреннего сгорания является дизельным двигателем 1. Отработавшие газы отдельных цилиндров поступают в сборник для отходящих газов 2, в котором выравниваются скачки давления. Отработавшие газы, имеющие почти постоянное давление, поступает через газоотвод 3 в турбину 4, работающую по принципу нагнетания. Компрессор 5, приводимый в действие турбиной, подает засасываемый из атмосферы и сжатый воздух через наддувочный воздуховод 6 в сборник для наддувочного воздуха 7, из которого наддувочный воздух попадает в отдельные цилиндры. Турбина предусмотрена с изменяющимся поперечным сечением в форме поворотных направляющих лопаток 18 (фиг. 2).

Газовая турбина, частично изображенная на фиг. 2, имеет радиально подводимый поток, движущийся по спирали к лопаткам, и аксиально сходящий от лопаток поток. Стенки, ограничивающие пропускающий канал 11 до области расположения рабочих лопаток 15, являются внутренними левой и правой стенками корпуса 14. В области рабочих лопаток 15 канала 11 внутри ограничен ступицей 12 ротора 16, оснащенного рабочими лопатками 15, а снаружи стенкой корпуса 14, проходящей почти аксиально.

Поворотные направляющие лопатки 18 и их соответствующие поворотные валы 19 выполнены предпочтительно монолитными. Вал 19 установлен на подшипниках в корпусе 14 в отверстии 13, проходящем через корпус 14. На своем конце, выступающем из отверстия, вал предусмотрен с качающимся рычагом 21. Этот рычаг выполнен вместе с поворотным валом 19 и направляющей лопаткой 18 как единое целое, например, как отливка.

Для охлаждения поворотных валов 19 предусмотрено их омывание сжатым воздухом. Для подачи необходимого воздуха может быть, например, предусмотрен согласно фиг. 1 в области за компрессором байпасный трубопровод 8 с расположенным в нем регулирующим органом 9. Этот байпасный трубопровод 8 входит в корпус газовой турбины 4. Каждый поворотный вал 19 снабжен двумя аксиально смежными опорными частями вала. Между опорными частями вала в отверстиях подшипниках 13 корпуса расположена кольцевая камера 17, куда подается сжатый воздух. При выполнении своей функции охлаждения и блокировки сжатый воздух обтекает опорные части поворотного вала и попадает через зазор подшипника, с одной стороны, в поток газа, а с другой стороны в атмосферу.

Как видно из фиг. 2 и особенно из фиг. 4, хорда S каждой направляющей лопатки 18 меньше, чем наибольший диаметр соответствующего поворотного вала 19. Если смотреть в аксиальном направлении, профиль лопатки полностью находится внутри радиально внешнего контура соответствующего поворотного вала. Так узел лопатка/поворотный вал можно демонтировать, например, из отверстия подшипника.

Во избежание зазора на свободном конце направляющей лопатки 18 каждый узел внутри отверстия подшипника выполнен с возможностью аксиального смещения. Как видно из фиг. 7, поворотные валы 19 выполнены пустотелыми. В полости помещаются пружинные элементы, в данном случае винтовая пружина 22. Эти пружинные элементы опираются на кольцо 20, укрепленное подходящим образом на корпусе 14. Конец направляющей лопатки прижимается с помощью этих пружинных элементов к находящейся напротив стенки 23 канала корпуса. Собственно поворот направляющих лопаток 18 в решетке происходит с помощью качающегося рычага 21. Каждые два соседних рычага 21 соединены между собой соединительным элементом с целью обеспечения синхронного колебания в плоскости вращения рычага.

На фиг. 2 - 6 показаны плоские планки 24 со штифтами. Штифты входят в соответствующие отверстия в качающихся рычагах. Они образуют в местах скрепления с качающимся рычагом 21 ось вращения 25. Чтобы все качающиеся рычаги совершали одинаковое угловое движение, расстояние A между осями вращения 25 соединительного элемента должно соответствовать осевому расстоянию B между двумя соседними поворотными валами 19.

В примере планки выполнены из двух частей. Обе части 24' и 24'' в местах соединения предусмотрены с третьим (плоским) шарниром 26. Подобные соединительные элементы могут корректировать неточности при изготовлении и монтаже, а также различные тепловые расширения, как видно из фиг. 4.

Установка угла рычага происходит с помощью органов, не показанных здесь и известных, например, из области конструктивного выполнения компрессорных механизмов. Как видно из фиг. 3, для этого, например, поршень может воздействовать на удлиненный переводной рычаг 21a. Поворот происходит преимущественно автоматически в зависимости от рабочих параметров, таких как давление наддува, число оборотов и т.д.

На фиг. 5 дано частичное изображение решетки в полностью открытом положении. Нерадиальное положение передней кромки лопатки не имеет в данном случае никакого значения, т.к. решетка и так уже находится под воздействием спирального потока под соответствующим правильным углом.

На фиг. 6 частично изображена решетка в полностью закрытом положении, соответствующем наименьшей подаваемой нагрузке.

На фиг. 8 показывает вариант исполнения, при котором соединительными элементами являются звенья 24b роликовой цепи. Пальцы, образующие цепной шарнир, являются осями вращения 25 соединительного элемента, а качающийся рычаг 21b выполнен как цепное колесо.

Газонагнетательная турбина с радиальным прохождением потока предусмотрена с рядом отдельно устанавливаемых направляющих лопаток, выполненных с возможностью вращения при помощи поворотного вала, установленного на подшипниках в корпусе. Каждый поворотный вал приводится в действие с помощью качающегося рычага. Хорда направляющих лопаток меньше, чем наибольший диаметр соответствующего поворотного вала. Если рассматривать в осевом направлении профиль каждой направляющей лопатки находится полностью внутри радиально внешнего контура соответствующего поворотного вала. Таким образом появляется возможность выполнить, как монолит, направляющую лопатку с соответствующим поворотным валом и качающийся рычаг. Такое выполнение турбины облегчает сборку и разборку. 6 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Газонагнетательная турбина с радиальным прохождением потока с рядом отдельно установленных направляющих лопаток (18), выполненных с возможностью вращения с помощью поворотных валов (19), установленных на подшипниках в корпусе (14), причем каждый поворотный вал (19) приводится в действие с помощью качающегося рычага (21), отличающаяся тем, что хорда (S) каждой направляющей лопатки (18) меньше, чем наибольший диаметр соответствующего поворотного вала (19), и, рассматривая в аксиальном направлении, профиль каждой направляющей лопатки (18) находится полностью внутри радиально внешнего контура соответствующего поворотного вала (19), при этом направляющая лопатка (18) с соответствующим поворотным валом (19) и качающийся рычаг (21) образуют вращающийся монолитный узел. 2. Турбина по п.1, отличающаяся тем, что каждый вращающийся монолитный узел выполнен с возможностью аксиального смещения и прижат с помощью пружинных элементов (22) к стенке (23) канала корпуса (14). 3. Турбина по п.1, отличающаяся тем, что каждый поворотный вал (19) предусмотрен с двумя аксиально смежными опорными частями, между которыми предусмотрена кольцевая камера (17), куда поступает сжатый воздух. 4. Турбина по п.1, отличающаяся тем, что два соседних качающихся рычага (21, 21b) соединены между собой соединительным элементом (24, 24b), причем соединительные элементы в местах их скрепления с качающимся рычагом снабжены осью вращения (25), и расстояние (А) между осями вращения (25) соединительного элемента соответствует осевому расстоянию (B) между двумя соседними поворотными валами (19). 5. Турбина по п.4, отличающаяся тем, что соединительные элементы выполнены в виде плоских планок (24) с штифтами, причем штифты входят в соответствующие отверстия в качающихся рычагах. 6. Турбина по п.5, отличающаяся тем, что планки выполнены из двух частей (24', 24'') и предусмотрены с третьим (плоским) шарниром (26). 7. Турбина по п. 5, отличающаяся тем, что соединительные элементы выполнены в виде звеньев (24b) роликовой цепи, причем пальцы, образующие цепной шарнир, образуют оси вращения (25) соединительного элемента, и качающийся рычаг (21b) выполнен в виде цепного колеса.