СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОМПЕНСАЦИИ СМЕЩЕНИЯ В ТУРБОМАШИНЕ Российский патент 2001 года по МПК F01D25/26 F01D3/04 

Изобретение относится к способу и устройству для компенсации смещения в турбомашине с внешним и внутренним корпусом или, соответственно, обоймой направляющих лопаток. В частности, областью применения изобретения являются турбодвигатели двухкорпусной секционной (горшкообразной) конструкции, причем давление протекающей через турбомашину текучей среды вызывает осевое усилие в продольном направлении вала, по меньшей мере, на внутренний корпус.

Известно, что в турбомашинах с высоким внутренним давлением корпус разделяется на внутренний и внешний корпус. В DE 2218500 описан многооболочечный корпус паровой турбины для высоких давлений пара и температур пара. В приведенной конструкции двухкорпусной секционной (горшкообразной) турбины высокого давления свежий пар с высоким давлением входит во внутренний корпус. После расширения приблизительно на 20% общего напора частичной турбины пар направляется через просверленные отверстия во внешний корпус, и сжимает таким образом в ходе дальнейшего процесса расширения внутренний корпус в области плоскостей разъемов. При подкритических состояниях пара выбирают конструкцию с обоймой направляющих лопаток. При этом полное давление свежего пара находится в пространстве между внешним и внутренним корпусом и сжимает таким образом обе половины обоймы вместе. В дальнейшем описании понятие "внутренний корпус" охватывает всегда конструктивное решение с обоймой направляющих лопаток. Давления, действующие на различных поверхностях, и далее создают при их наложении результирующее усилие на элементы конструкции, которое должно быть уловлено посредством соответствующих устройств на внутреннем и/или внешнем корпусе и/или на валу. Для этого, кроме того, известно, что промежуточное пространство между внутренним и внешним корпусом уплотнено относительно стороны выхода текучей среды, протекающей через турбомашину, так что дифференциальный напор между входом и выходом должен восприниматься внутренним корпусом, в то время как внешний корпус должен противостоять на стороне оттока выходному давлению и на стороне притока давлению между внешним и внутренним корпусом по отношению к атмосферному давлению. Эти давления, приложенные в различных пространствах турбомашины, создают большие осевые усилия, которые должны передаваться через соответствующие устройства, как например байонетные кольца, резьбовые кольца, затворы Уде-Бреттшнейдера или посредством свинчивания на внешний корпус или другие подходящие устройства. Эти усилия вызывают наряду с возможными большими деформациями, также высокие удельные давления на соответствующие опоры.

DE 2218500 к примеру раскрывает многооболочечный корпус паровой турбины для высоких давлений пара и высоких температур пара. Внутренняя оболочка затянута с внешним корпусом посредством опорного кольца и таким образом аксиально фиксирована. US 3754833 в свою очередь, или соответственно его приоритетный документ DE 2054465, описывает устройство для радиально-центрического подвижного под действием тепла крепления и центрирования корпусов уплотнений вала на внешней оболочке корпуса турбомашин. Представленная там турбина содержит горшкообразный корпус с перпендикулярной к оси плоскостью разъема. Внутренний корпус, несущий направляющие лопатки, вставляется в горшкообразный корпус на опорное и центрирующее место. Это центрирующее место выполнено в виде затвора Уде-Бреттшнейдера. В области прохождений вала через горшкообразный корпус находятся корпуса уплотнений вала, на которые посажена уплотняющая крышка. Шунтовые каналы во внутреннем корпусе служат для компенсации осевого смещения.

Конструктивные затраты в турбомашинах на улавливание осевых усилий, как пояснено выше, в целом очень велики. Так как коэффициент полезного действия турбомашины находится под сильным влиянием гидравлических потерь, силы смещения и дальше должны улавливаться так, чтобы при соответствующих тепловых расширениях вала и внутреннего и внешнего корпуса на концах лопаток получались только по возможности малые радиальные зазоры.

Задачей данного изобретения является, следовательно, создание способа для компенсации смещения в турбомашине, а также соответствующее ему выполнение. В частности, изобретение должно компенсировать осевые усилия, появляющиеся в продольном направлении вала.

Эта задача решается способом с признаками пункта 1 формулы изобретения и турбомашиной с признаками пункта 6 формулы изобретения. Предпочтительные формы выполнения и усовершенствования изобретения описаны в соответствующих зависимых пунктах формулы изобретения.

Изобретение предусматривает, что, по меньшей мере, первую поверхность наружной стороны части внутреннего корпуса для компенсации осевого смещения делят на две частичные поверхности для компенсации осевого смещения, которые соответственно подвергают различному давлению, причем между обоими давлениями создают разграничение при помощи, по меньшей мере, одного средства, в частности уплотнения. Предпочтительно наружную сторону части внутреннего корпуса нагружают давлением для компенсации осевого смещения, которое, по меньшей мере, так же велико, как выходное давление текучей среды, и предпочтительно приблизительно так же велико, как входное давление.

В предпочтительном исполнении изобретения давление для компенсации осевого смещения противодействует осевому усилию выходного давления на внутреннем корпусе. На основании наложения обоих давлений получается уменьшенное результирующее давление, которое создает, тем самым, только небольшое смещение. Эта компенсация осевого смещения осуществима, в частности, на внутреннем корпусе турбомашины. За счет этого достигается то, что до сих пор высокие затраты на фиксацию внутреннего корпуса могут быть снижены. Появляющиеся на элементах фиксации удельные давления поэтому малы и приводят поэтому также к малым деформациям. В предпочтительной форме дальнейшего усовершенствования изобретения давление на внешнюю часть внутреннего корпуса регулируют соответственно условиям работы, как например полная и частичная нагрузка. Появляющееся на внутреннем корпусе осевое смещение может тогда регулироваться посредством подходящего управления давлением.

Наряду с нагрузкой внешней части внутреннего корпуса давлением для компенсации осевого смещения еще производят кроме того ограничение размера этой внешней части с помощью надлежащего средства, предпочтительно уплотнения. Компенсация осевого смещения внутреннего корпуса подвержена влиянию не только через давление, но и через имеющуюся в распоряжении давления активную поверхность для создания осевого усилия. Эта активная поверхность в качестве первой поверхности теперь разделяется средством на две частичных поверхности. Предпочтительно активная поверхность охватывает при этом, по меньшей мере, часть внешней торцевой поверхности внутреннего корпуса. В зависимости от параметров машины возникает тем самым возможность подобрать надлежащий размер внешней части внутреннего корпуса для компенсации осевого смещения, чтобы поддерживать это смещение как можно малым. В соответствии с параметрами пара частичной турбины осевое смещение является регулируемым также через вариацию поверхностей, установленных посредством диаметра одного или двух 1-кольцевых уплотнений. Само уплотнение тем самым подвержено давлению и, в частности, нагружено давлением. Вследствие уплотнения давление, действующее соответственно на обе частичные поверхности, может быть создано также между внутренним и внешним корпусом.

Дальнейшие преимущества и свойства изобретения объясняются с помощью следующих чертежей. Преимущественные формы выполнения изобретения возможны за счет комбинации раскрытых признаков. При этом на чертежах показано:
фиг. 1 - соответствующая изобретению стационарная турбина высокого давления двухкорпусной секционной (горшкообразной) конструкции и
фиг. 2 - схематическое расположение турбинной группы.

Фиг. 1 показывает в качестве примера выполнения соответствующей изобретению турбомашины турбину высокого давления 1 двухкорпусной секционной (горшкообразной) конструкции, которая содержит внутренний корпус 2 и внешний 3 корпус. Текучая среда 4, протекающая через турбомашину 1, входит с входным давлением P1 и снова покидает турбину высокого давления 1 с выходным давлением P2. Разница между входным и выходным давлением приводит к осевому смещению не только на внутреннем корпусе 2, но и на валу 5. В зависимости от вида направляющих и рабочих лопаток там происходит различное снижение давления протекающей текучей среды 4, которое воздействует на вал 5 и внутренний корпус 2. Внутренний корпус 2 содержит на своей внешней стороне поверхность A1, которая подвержена входному давлению P1. Давление на поверхность A1, по меньшей мере, преимущественно так же велико, как выходное давление P2 текучей среды 4 из турбомашины 1. В частности, давление на поверхность A1 может быть таким же высоким, как и входное давление текучей среды и/или давление внутри внутреннего корпуса 2. Поверхность A1 предпочтительно охватывает часть торцевой поверхности внутреннего корпуса 2. Возникающее на этой поверхности A1 осевое усилие накладывается на осевое усилие, возникающее на поверхности A2' на внутреннем корпусе 2, за счет чего на нем происходит компенсация осевого смещения. Фиксация 6 внутреннего корпуса 2 по отношению к внешнему корпусу 3 подвержена небольшому удельному давлению за счет этой компенсации осевого смещения. Это позволяет использовать многообразные конструкционные возможности для введения осевого усилия смещения во внешний корпус 3, например, могут отпадать используемые в более раннем уровне техники опорные кольца. Вся конструкция подобной, соответствующей изобретению турбомашины может упрощаться на основе улучшенной компенсации осевого смещения.

В представленном на фиг. 1 изображении передающая осевое давление поверхность A1 внешней части внутреннего корпуса 2 ограничена расположенным вокруг вала 5 средством 7. Эта средство 7, преимущественно уплотнение, ограничивает давление P1, воздействующее на поверхность A1, передающую осевое давление так, что посредством применения средства 7 может создаваться точно определенная компенсация осевого смещения. Кроме того, применение подобного средства 7 предоставляет возможность нагрузить следующую поверхность A3 на внешней части внутреннего корпуса 2 следующим давлением P3. Давление P3 в связи с поверхностью A3 создает тогда тоже вклад в компенсацию осевого смещения. Поверхности A1 и A3 поэтому образуют вместе в смысле изобретения первую поверхность внешней части внутреннего корпуса 2. Поверхности A1 и A3 по отдельности являются тогда частичными поверхностями.

Давление P3, которое по сравнению с давлением P1 является преимущественно более низким, служит в качестве запирающего давления. Потери давления и гидравлические потери через одно уплотнение или несколько уплотнений в качестве средства 7 могут быть снижены посредством этой преимущественной градации давлений. За счет этого уплотнение, в частности 1-кольцевое уплотнение, может быть не только подвержено давлению, но и также быть нагруженным давлением. За счет применения нескольких средств 7 для выгодной градации давлений могут быть созданы другие, отделенные друг от друга поверхности для компенсации осевого смещения, как это обозначено показанным штриховой линией средством 7 с поверхностью A3' и давлением P3'. На основании геометрии конструкции турбомашины 1 уплотнение 7 устанавливают предпочтительно между внутренней частью внешнего корпуса 3 и внешней частью внутреннего корпуса, в частности, так, что оно имеет непосредственный контакт с внутренним корпусом 2 и внешним корпусом 3. В качестве уплотнения 7 предлагается I-кольцевое уплотнение, диаметр которого D зависит от поверхности A1 или, соответственно, A3, передающих желательное осевое усилие. Предпочтительная форма выполнения изобретения предусматривает, что компенсация осевого смещения имеет место не только на внутреннем корпусе 2, но и также на валу 5. К тому же турбомашина выполнена так, что поверхность A2'', передающая осевое давление, подвергается выходному давлению P2. Таким образом появляющееся вследствие разницы входного давления P1 и выходного давления P2 над лопатками на валу 5 осевое смещение, по меньшей мере, частично может быть скомпенсировано.

Фиг. 2 показывает в схематическом представлении расположение на одном валу части высокого давления HD, части среднего давления MD и части низкого давления ND турбины. Это изображение поясняет, что усилия из давления P1 на поверхность A1 и из давления P3 на поверхность A3 действуют в отрицательном направлении X. Сила из давления P2 на поверхность A2'' действует против этих сил в положительном направлении X. Изобретение тем самым применимо не только на одной частичной турбине, но и также на группе включенных друг за другом турбомашин для компенсации осевого смещения.

Изобретение предназначено для использования в турбодвигателях двухкорпусной секционной (горшкообразной) конструкции. Способ компенсации осевого смещения в турбомашине с внешним и внутренним корпусом или, соответственно, обоймой направляющих лопаток, в частности, турбодвигателе двухкорпусной секционной (горшкообразной) конструкции, заключается в том, что по меньшей мере, первую поверхность внешней стороны части внутреннего корпуса для компенсации осевого смещения разделяют на две частичные поверхности, соответственно подверженные различному давлению. Разграничение между обоими давлениями создают посредством, по меньшей мере, одного средства, в частности уплотнения. Изобретения компенсируют осевые усилия, возникающие вдоль вала. 2 с. и 10 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ компенсации осевого смещения в турбомашине (1) с внешним (3) и внутренним корпусом (2) или, соответственно, обоймой направляющих лопаток, в частности турбодвигателе двухкорпусной секционной (горшкообразной) конструкции, причем давление протекающей через турбомашину текучей среды (4) создает осевое усилие в продольном направлении вала (5), по меньшей мере, на внутренний корпус (2), а внешнюю сторону части внутреннего корпуса (2) подвергают давлению для компенсации осевого смещения, отличающийся тем, что, по меньшей мере, первую поверхность (А1 + A3) внешней стороны части внутреннего корпуса (2) для компенсации осевого смещения делят на две частичных поверхности (А1, A3) для компенсации осевого смещения, которые соответственно подвергают различному давлению (Р1, Р3), причем разграничение между обоими давлениями (Р1, Р3) создают посредством, по меньшей мере, одного средства (7), в частности уплотнения. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что само средство (7), в частности I-кольцевое уплотнение, подвергают давлению (Р1, Р3), в частности нагружают давлением. 3. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что давление (Р1, Р3), действующее соответственно на обе частичные поверхности (А1, A3), прикладывают между внутренним (2) и внешним (3) корпусом. 4. Способ по одному из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что давление (Р2, Р3) на частичные поверхности (А1, A3) наружной стороны части внутреннего корпуса (2) устанавливают в соответствии с условиями эксплуатации турбомашины. 5. Способ по одному из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что давление (Р1, Р3) прикладывают к торцевой поверхности внутреннего корпуса (2). 6. Турбомашина (1) с внешним (3) и внутренним корпусом (2) или, соответственно, обоймой направляющих лопаток, в частности, турбодвигатель двухкорпусной секционной (горшкообразной) конструкции, причем выходное давление (Р2) текучей среды (4), протекающей через турбомашину (1), создает осевое усилие в продольном направлении вала (5), по меньшей мере, на внутренний корпус (2), отличающаяся тем, что средство (7) разделяет друг от друга две передающие осевое давление частичные поверхности (А1, A3) первой поверхности (А1 + A3) на наружной стороне части внутреннего корпуса (2), которые, соответственно, вносят вклад в компенсацию осевого смещения (5). 7. Турбомашина по п.6, отличающаяся тем, что обе передающие осевое давление частичные поверхности (А1, A3) являются соответственно подвергаемыми различному давлению (Р1, Р2). 8. Турбомашина по п.7, отличающаяся тем, что средство (7) является подвергаемым давлению (Р1, Р3), в частности двум различным давлениям одновременно. 9. Турбомашина по п.7 или 8, отличающаяся тем, что средство (7) расположено между внутренним (2) и внешним (3) корпусами, в частности так, что оно имеет непосредственный контакт с внутренним корпусом (2) и внешним (3) корпусом. 10. Турбомашина по любому из пп.6-9, отличающаяся тем, что средство (7) является уплотнением, предпочтительно, I-кольцевым уплотнением, которое расположено, в частности, вокруг вала (5). 11. Турбомашина по любому из пп.6-10, отличающаяся тем, что передающая давление частичная поверхность (А1, A3) для компенсации смещения охватывает, по меньшей мере, частично торцевую поверхность внутреннего корпуса. 12. Турбомашина по любому из пп.6-11, отличающаяся тем, что передающая давление частичная поверхность (А1, A3) для компенсации смещения является подвергаемой входному давлению (Р1) или давлению изнутри внутреннего корпуса (2).