СТАТОР ГАЗОВОЙ ТУРБИНЫ Российский патент 2006 года по МПК F01D9/02 

Настоящее изобретение относится к статору газовой турбины, содержащему корпус с каналом для прохода газов, кольцевой элемент, расположенный вокруг корпуса статора на расстоянии от него в радиальном направлении и функционально с ним связанный, и промежуточные элементы, удерживающие кольцевой элемент на расстоянии от корпуса статора в радиальном направлении. Статор подобной конструкции известен из патента US 5215434.

Под газовой турбиной в данном случае подразумевается блок, содержащий по меньшей мере газовую турбину, компрессор, который вращает турбина, и камеру сгорания. Газовые турбины используются, например, в качестве двигателей на транспортных средствах и в самолетах, в качестве главных судовых двигателей и на электростанциях для привода генераторов.

Такие газовые турбины обычно выполняют в виде турбин осевого типа с одной или несколькими турбинными ступенями. Статор турбины имеет расположенные в канале для прохода газов направляющие лопатки. В приведенном ниже описании изобретения рассматривается газовая турбина с так называемым регулируемым статором. Под регулируемым статором в данном случае понимается статор с регулируемыми направляющими лопатками, которые путем поворота можно устанавливать под разным углом наклона к продольной оси статора.

Для повышения эффективности газовой турбины газы на входе в первую ступень турбины должны иметь максимально возможную температуру на всех возможных режимах работы турбины. Использование регулируемого статора позволяет менять перепад давления в предыдущих ступенях (в турбине компрессора), а тем самым и температуру газов на входе в турбину компрессора.

Применяемые в настоящее время в газовых турбинах регулируемые статоры имеют специальное регулирующее устройство, которое предназначено для регулирования положения лопаток статора и их поворота в различное угловое положение. Такое регулирующее устройство обычно имеет кольцевой элемент, выполненный в виде зубчатого кольца. Зубчатое кольцо вращается относительно корпуса статора с помощью, например, гидравлического сервоцилиндра. Регулирующее устройство содержит также несколько выполненных с учетом формы зубчатого венца зубчатого кольца регулирующих элементов с зубчатыми колесами, которые входят в зацепление с зубчатым кольцом и расположены по окружности зубчатого кольца на расстоянии друг от друга. Каждый такой регулирующий элемент соединен с одной направляющей лопаткой и вращается при повороте зубчатого кольца. Вращение входящего в зацепление с зубчатым кольцом регулирующего элемента сопровождается поворотом направляющей лопатки и изменением угла ее наклона.

Возможность вращения зубчатого кольца обеспечивается внутренним кольцом, на которое опирается зубчатое кольцо. На обращенную в радиальном направлении к зубчатому кольцу поверхность внутреннего кольца обычно наносят антифрикционное покрытие. Само внутреннее кольцо опирается на радиальные пальцы, неподвижно закрепленные на корпусе статора.

Во время работы газовой турбины корпус статора, который находится под непосредственным воздействием горячих газов, нагревается до более высокой температуры, чем зубчатое кольцо. При наличии такого перепада температур тепловое расширение корпуса статора превышает тепловое расширение зубчатого кольца. Разница в тепловом расширении корпуса статора и зубчатого кольца сопровождается изменением их взаимного положения и проявляется по существу в относительном скольжении закрепленных на корпусе статора пальцев и внутреннего кольца.

Возникающие при этом проблемы связаны с выбором оптимальной величины зазора между зубчатым кольцом и внутренним кольцом. При этом также необходимо учитывать и опасность несимметричного нагревания различных деталей. Кольца из-за несимметричного их нагревания могут приобрести овальную форму. Несимметричная деформация колец сопровождается изменением зазоров в зубчатом зацеплении и может привести к заклиниванию зубчатого кольца в его подшипнике или послужить причиной неоптимального увеличения номинального зазора в опоре между зубчатым и внутренним кольцами.

В основу настоящего изобретения была положена задача разработать статор газовой турбины, конструкция которого полностью или по меньшей мере частично позволяла бы решить проблемы, связанные с различным тепловым расширением корпуса статора, в котором имеется канал для прохода газов, и кольцевого элемента, который расположен на расстоянии от корпуса статора в радиальном направлении и функционально связан с корпусом статора.

Поставленная в изобретении задача решается за счет того, что промежуточные элементы расположены по окружности кольцевого элемента на расстоянии друг от друга и содержат подвижный элемент, который упирается в корпус статора или в кольцевой элемент и имеет возможность перемещения относительно него, при этом по меньшей мере один из промежуточных элементов обладает в направлении радиуса статора упругими свойствами, а по меньшей мере один другой промежуточный элемент такими свойствами не обладает.

Такое расположение и выполнение промежуточных элементов обеспечивает устойчивое и точное взаимное перемещение корпуса статора и охватывающего его кольцевого элемента. Упругие свойства промежуточного элемента должны обеспечить возможность его по меньшей мере частичного сжатия и расширения при уменьшении или соответственно увеличении расстояния между корпусом статора и кольцевым элементом. При соответствующем выборе материала и размеров такой промежуточный элемент позволяет контролировать в радиальном направлении относительное перемещение между статором и кольцевым элементом и по меньшей мере частично решить упомянутые выше проблемы, возникающие при изменении зазора в зубчатом зацеплении и в опоре зубчатого кольца.

В частном варианте осуществления изобретения предлагаемый в изобретении статор содержит три промежуточных элемента, которые расположены по окружности кольцевого элемента на расстоянии друг от друга, при этом по меньшей мере один из этих промежуточных элементов обладает упругими необходимыми свойствами.

Обладающий упругими свойствами промежуточный элемент может содержать аккумулирующий энергию элемент, в качестве которого предпочтительно использовать пружину.

Если подвижный элемент, который может быть выполнен в виде ролика или колеса, упирается в корпус статора, то промежуточный элемент может жестко крепиться к кольцевому элементу, а если подвижный элемент упирается в кольцевой элемент, то промежуточный элемент может жестко крепиться к корпусу статора.

Предпочтительно, чтобы у всех промежуточных элементов подвижные элементы были выполнены в виде роликов. В этом варианте необходимое относительное перемещение кольцевого элемента и корпуса статора, сопровождающееся качением роликов промежуточных элементов, например, по поверхности кольцевого элемента, легко обеспечивается соответствующим выбором количества промежуточных элементов и расстояния между ними.

Еще в одном варианте осуществления изобретения, который является модификацией предыдущего варианта, предлагается промежуточный элемент, конструктивно выполненный таким образом, что корпус ненагруженного статора располагается относительно кольцевого элемента эксцентрично, а нагруженного - по существу концентрично. Достигается это за счет, например, использования в статоре трех снабженных упомянутыми роликами промежуточных элементов, один из которых при этом содержит также упомянутую выше пружину. Основным преимуществом этого варианта является возможность прецизионного совмещения осей кольцевого элемента и корпуса статора во время работы турбины.

В типовом исполнении статор турбины содержит множество направляющих поток газа лопаток (сопловых лопаток), расположенных в канале для прохода газов, и предназначенное для регулирования положения лопаток в канале и их поворота по меньшей мере из одного положения в другое устройство, которое содержит установленный с возможностью вращения кольцевой элемент и множество установленных с возможностью вращения регулирующих элементов, которые расположены по окружности кольцевого элемента на расстоянии друг от друга, каждый из которых соединен с одной из направляющих лопаток и которые находятся в контакте с кольцевым элементом и имеют возможность вращения при вращении кольцевого элемента, поворачивая тем самым направляющие лопатки из одного положения в другое. В этом случае кольцевой элемент и регулирующие элементы могут иметь соответствующим образом выполненные и находящиеся в зацеплении зубчатые участки, через которые осуществляется поворот направляющих лопаток.

Ниже изобретение более подробно рассмотрено на примере одного из вариантов его осуществления со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых показано:

на фиг.1 - схематичное изображение в разрезе статора, выполненного в соответствии с предпочтительным вариантом,

на фиг.2 - схематичное изображение в виде спереди статора, выполненного в соответствии с предпочтительным вариантом, в двух положениях и

на фиг.3 - механизм регулирования лопаток статора.

На фиг.1 схематично в разрезе показан статор 1 газовой турбины. Статор 1 газовой турбины имеет корпус 2 с каналом 3 для прохода газов в направлении, изображенном на чертеже стрелками 16. В канале для прохода газов расположены показанные также на фиг.3 лопатки 4 статора, направляющие поток протекающих через статор газов.

Статор 1 имеет устройство 5, которое предназначено для регулирования углового положения лопаток 4 статора. Регулирующее устройство 5 содержит кольцевой элемент 6, выполненный в виде зубчатого кольца. Для упрощения в дальнейшей части описания вместо термина "кольцевой элемент 6" используется термин "зубчатое кольцо 6". Зубчатое кольцо 6 охватывает снаружи корпус 2 статора и расположено на расстоянии от него в радиальном направлении. Зубчатое кольцо 6 соединено с гидравлическим сервоцилиндром (на чертежах не показан) и может вращаться относительно неподвижного корпуса статора.

Регулирующее устройство 5 содержит также несколько регулирующих элементов 7 с зубчатыми колесами, форма которых соответствует форме зубчатого венца зубчатого кольца 6. Каждый регулирующий элемент 7 соединен с одной из направляющих лопаток 4 статора. Регулирующие элементы 7 расположены на расстоянии друг от друга по окружности зубчатого кольца 6 и находятся в зацеплении с имеющимися на нем зубьями. Находящиеся в зацеплении с зубчатым кольцом 6 регулирующие элементы 7 вращаются при повороте зубчатого кольца 6 и поворачивают лопатки 4 статора из одного углового положения в другое.

Корпус 2 статора имеет круглый выступающий фланец 8. В предпочтительном варианте этот фланец 8 выполнен в виде отдельной детали, которая болтами 9 крепится к корпусу 2 статора.

На фланце 8 расположены три выступающих в радиальном направлении элемента 10, 11, 12, которые определяют расстояние между корпусом 2 статора и зубчатым кольцом 6 (см. фиг.2). Промежуточные элементы 10-12 равномерно расположены по окружности статора на равном угловом расстоянии друг от друга. Каждый промежуточный элемент 10-12 имеет ролик 13, который упирается в радиально внутреннюю поверхность зубчатого кольца 6 и может перекатываться по ней. Первый промежуточный элемент 10 содержит, кроме того, аккумулирующий энергию элемент 14, выполненный в данном случае в виде пружины. Аккумулирующий энергию элемент 14 первого промежуточного элемента 10 закреплен на рычаге 15, которым он соединен с прижатым к зубчатому кольцу подвижным роликом 13. Рычаг 15 вместе с пружиной и роликом шарнирно закреплен на фланце 8 корпуса статора и может поворачиваться относительно него.

При протекании через расположенный в корпусе 2 статора канал потока горячих газов корпус статора нагревается и расширяется. Не нагреваемый газами корпус 2 статора охлаждается, и его размеры соответственно уменьшаются. Возникающие при нагревании и охлаждении тепловые деформации находящегося под непосредственным воздействием горячих газов корпуса 2 статора больше тепловых деформаций зубчатого кольца. Компенсация разницы тепловых расширений корпуса статора и зубчатого кольца осуществляется в предлагаемой в изобретении конструкции за счет предварительного сжатия пружины 14, которая прижимает ролики 13 к внутренней поверхности зубчатого кольца 6 и при работающей, и при неработающей турбине. На фиг.2 положение фланца 8 при работающей турбине показано пунктирными линиями, а при неработающей турбине - сплошными линиями. В качестве пружины 14 предпочтительно использовать пакет тарельчатых пружин, которые создают усилие, направленное по радиусу статора. У предлагаемого в изобретении статора при наличии нагрузки ось зубчатого кольца 6 совпадает с осью корпуса 2 статора, а при отсутствии нагрузки - не совпадает и смещена от нее на некоторое расстояние.

Возможность простого регулирования положения зубчатого кольца 6 относительно корпуса статора обеспечивается в предлагаемой в изобретении конструкции путем определения эксцентриситета зубчатого кольца при нагретом до высокой температуры статоре и последующего изменения положения роликов 13 с помощью, например, соответствующего эксцентрика (на чертежах не показан).

На фиг.3 показано устройство 5, предназначенное для регулирования угла наклона лопаток 4 статора. На фиг.3 показано, в частности, зубчатое кольцо 6, один из регулирующих элементов 7 с зубчатым колесом, форма которого соответствует форме зубчатого венца зубчатого кольца 6, и одна из лопаток 4 статора, которая соединена с регулирующим элементом 7.

Под упругостью промежуточного элемента в данном случае понимается возможность аккумулирующего энергию элемента упруго деформироваться при увеличении приложенного к нему усилия сжатия и принимать исходную форму при снижении усилия сжатия до первоначального уровня.

Используемый в описании термин "окружность" относится к лежащему в одной плоскости внутреннему или внешнему краю соответствующей детали. В такой трактовке применение этого термина не ограничено деталями, имеющими круглую форму.

Описанный выше первый промежуточный элемент 10 обладает упругими свойствами в направлении радиуса статора 1. Сказанное, однако, не означает, что первый промежуточный элемент 10 обладает упругими свойствами только в направлении радиуса статора 1, и он может обладать соответствующими упругими свойствами и в других направлениях.

Предлагаемую в изобретении конструкцию статора можно реализовать и в одновальных, и в двухвальных газовых турбинах. В одновальной газовой турбине компрессор(-ы) соединен(-ы) валом с приводной турбиной, которая соединена с выходным валом. В таких турбинах камера сгорания расположена между компрессором(-ами) и приводной турбиной. В двухвальной газовой турбине компрессор(-ы) соединен(-ы) валом с турбиной компрессора. При этом приводная турбина механически не соединена с турбиной компрессора, а расположена в направлении потока газов за турбиной компрессора и соединена с выходным валом. Камера сгорания в таких турбинах расположена между компрессором и турбиной компрессора.

В описанный выше вариант конструкции статора газовой турбины, который следует рассматривать только в качестве предпочтительного примера возможного осуществления изобретения, могут вноситься различные изменения и усовершенствования, которые при этом не должны выходить за объем приведенной ниже формулы изобретения.

Так, в частности, вместо пакета тарельчатых пружин в качестве аккумулирующего энергию элемента в другом варианте можно использовать витую пружину. Витую пружину можно установить таким образом, чтобы ее центральная ось была расположена по существу в направлении радиуса статора. Витую пружину можно также установить и иначе, например, таким образом, чтобы ее центральная ось была расположена по существу вдоль оси статора. В этом случае промежуточный элемент должен иметь соединенную с пружиной деталь, которая могла бы перемещаться в осевом направлении. Эта деталь должна быть связана с зубчатым кольцом таким образом, чтобы при относительном радиальном перемещении зубчатого кольца и корпуса статора в промежуточном элементе возникала передаваемая этой деталью упругая сила, направленная вдоль центральной оси пружины.

Аккумулирующий энергию элемент можно также выполнить в виде цилиндра, например пневмоцилиндра, в котором функции упругого элемента выполняет рабочая среда (воздух). В другом варианте в качестве аккумулирующего энергию элемента можно использовать деталь, изготовленную из упругого материала, например из резины. В этом случае упругие свойства промежуточного элемента будут определяться внутренней структурой упругого материала, а не формой аккумулирующего энергию элемента.

В качестве подвижного элемента вместо описанного выше ролика в предлагаемом в изобретении промежуточном элементе можно использовать элемент, скользящий по поверхности зубчатого кольца 6. Конструктивно такой элемент можно выполнить в виде, например, криволинейного бруса с соответствующим поперечным сечением.

Описанный выше фланец 8, представляющий собой отдельную деталь, которая крепится к корпусу статора соответствующими болтами 9, можно заменить фланцем, выполненным за одно целое с остальной частью корпуса статора.

Для регулирования угла наклона лопаток статора на регулирующих элементах вместо зубчатого колеса, входящего в зацепление с кольцевым элементом, можно использовать ролики, обкатывающиеся по внутренней поверхности кольцевого элемента. В другом варианте для этой цели можно использовать и канавки или пазы, выполненные на кольцевом элементе. Такие канавки или пазы можно выполнить, например, на радиально внешней поверхности кольцевого элемента на определенном по окружности расстоянии друг от друга. Выполненные в кольцевом элементе канавки должны быть вытянуты в направлении, перпендикулярном основной плоскости кольцевого элемента. Регулирующий элемент в этом случае представляет собой рычаг, один конец которого соединен с поворотной лопаткой статора, а другой входит в канавку кольцевого элемента. На внешнем конце рычага можно закрепить деталь сферической формы, в частности шарик, который входит внутрь канавки кольцевого элемента. Поворот лопаток статора на тот или иной угол осуществляется в этом случае путем поворота кольцевого элемента на соответствующий угол.

В предлагаемом в изобретении статоре, в отличие от рассмотренного выше варианта, в котором пружину имеет только один промежуточный элемент, пружину могут иметь и несколько промежуточных элементов. Иногда, например, для установки на корпусе статора кольцевого элемента механизма поворота лопаток используют четыре промежуточных элемента. В этом случае два промежуточных элемента должны иметь соответствующие пружины. Промежуточные элементы в таком статоре должны быть расположены таким образом, чтобы суммарное усилие, создаваемое пружинами, было направлено в ту же сторону, что и в статоре с тремя промежуточными элементами, только один из которых имеет соответствующую пружину.

Приведенное выше описание, в котором рассмотрена конструкция статора газовой турбины с разным тепловым расширением зубчатого кольца и корпуса статора, не ограничивает всех возможностей практической реализации изобретения, которое может найти применение и в других областях техники, в которых используется кольцевой элемент, функционально связанный с корпусом статора.

Статор газовой турбины содержит корпус с каналом для прохода газов, кольцевой элемент, расположенный вокруг корпуса статора на расстоянии от него в радиальном направлении и функционально с ним связанный, и промежуточные элементы, удерживающие кольцевой элемент на расстоянии от корпуса статора в радиальном направлении. Промежуточные элементы расположены по окружности кольцевого элемента на расстоянии друг от друга и содержат подвижный элемент. Подвижный элемент упирается в корпус статора или в кольцевой элемент и имеет возможность перемещения относительно него. По меньшей мере, один из промежуточных элементов обладает в направлении радиуса статора упругими свойствами, а, по меньшей мере, один другой промежуточный элемент такими свойствами не обладает. Изобретение позволяет создать статор газовой турбины, менее подверженный воздействию различного теплового расширения корпуса статора и кольцевого элемента, функционально связанного с корпусом статора. 9 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Статор (1) газовой турбины, содержащий корпус (2) с каналом (3) для прохода газов, кольцевой элемент (6), расположенный вокруг корпуса статора на расстоянии от него в радиальном направлении и функционально с ним связанный, и промежуточные элементы (10, 11, 12), удерживающие кольцевой элемент на расстоянии от корпуса статора в радиальном направлении, отличающийся тем, что промежуточные элементы (10, 11, 12) расположены по окружности кольцевого элемента (6) на расстоянии друг от друга и содержат подвижный элемент (13), который упирается в корпус (2) статора или в кольцевой элемент (6) и имеет возможность перемещения относительно него, при этом по меньшей мере один (10) из промежуточных элементов обладает в направлении радиуса статора упругими свойствами, а по меньшей мере один другой промежуточный элемент (11, 12) такими свойствами не обладает.2. Статор по п.1, отличающийся тем, что он содержит три промежуточных элемента (10, 11, 12), которые расположены по окружности кольцевого элемента (6) на расстоянии друг от друга, при этом по меньшей мере один (10) из этих промежуточных элементов обладает упругими свойствами.3. Статор по п.1 или 2, отличающийся тем, что обладающий упругими свойствами промежуточный элемент (10) содержит аккумулирующий энергию элемент (14).4. Статор по п.3, отличающийся тем, что аккумулирующий энергию элемент (14) выполнен в виде пружины.5. Статор по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что подвижный элемент (13) выполнен в виде ролика или колеса.6. Статор по п.5, отличающийся тем, что промежуточный элемент (10, 11, 12) жестко крепится к кольцевому элементу (6), если подвижный элемент (13) упирается в корпус (2) статора, либо к корпусу (2) статора, если подвижный элемент (13) упирается в кольцевой элемент (6).7. Статор по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что промежуточный элемент (10, 11, 12) расположен таким образом, что корпус (2) ненагруженного статора располагается относительно кольцевого элемента эксцентрично, а нагруженного - по существу концентрично.8. Статор по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что он содержит множество направляющих поток газа лопаток (4), расположенных в канале для прохода газов, и предназначенное для регулирования положения лопаток в канале и их поворота по меньшей мере из одного положения в другое устройство (5), которое содержит установленный с возможностью вращения кольцевой элемент (6) и множество установленных с возможностью вращения регулирующих элементов (7), которые расположены по окружности кольцевого элемента на расстоянии друг от друга, каждый из которых соединен с одной из направляющих лопаток (4) и которые находятся в контакте с кольцевым элементом и имеют возможность вращения при вращении кольцевого элемента, поворачивая тем самым направляющие лопатки (4) из одного положения в другое.9. Статор по п.8, отличающийся тем, что кольцевой элемент (6) и регулирующие элементы (7) имеют соответствующим образом выполненные и находящиеся в зацеплении зубчатые участки, через которые осуществляется поворот направляющих лопаток.10. Статор по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что газовая турбина предназначена для привода в движение транспортного средства.