НАПРАВЛЯЮЩИЙ СОПЛОВОЙ АППАРАТ РАДИАЛЬНОЙ ТУРБИНЫ Российский патент 2007 года по МПК F01D17/14 F01D9/02 

Изобретение относится к турбостроению и может быть использовано в турбомашинах, в теплоэнергетике, в транспортных газотурбинных двигателях, системах газотурбинного наддува двигателей внутреннего сгорания, в энергоустановках с газовой турбиной на топливных элементах.

Известны направляющие сопловые аппараты радиальных турбин, представляющие собой ряд сопловых лопаток, размещенных равномерно вокруг оси колеса турбины и установленных своими цапфами в корпусе турбины с возможностью регулируемого поворота в плоскости, перпендикулярной оси рабочего колеса в канале, образованном стенками корпуса, в которых поворот лопаток осуществляется воздействием приводного устройства на качающиеся рычаги (поводки), закрепленные на цапфах лопаток, и которые содержат регулировочное устройство, например, в виде кольцевого синхронизатора поворота, образованного тягами, сочлененными между собой и с качающимися рычагами (патент RU 2125164, 1999 г.) или, например, в виде синхронизирующего кольца, радиальными пазами контактирующего со свободными концами рычагов(патент ЕР 0226444, 1987 г.).

Наличие большого числа сочленений между лопатками и регулировочно-приводным устройством в первом аналоге вызывает погрешности в повороте лопаток направляющего соплового аппарата (НСА), и, как следствие, снижение КПД ступени турбины.

Во втором аналоге базирование синхронизирующего кольца с помощью роликов на корпусе турбины требует больших зазоров в паре "ролик-синхронизирующее кольцо" для предотвращения заклинивания синхронизирующего кольца из-за разности температурных деформаций синхронизирующего кольца и корпуса турбины, особенно на переходных режимах. Большой зазор вызывает погрешности в повороте лопаток (НСА), и, как следствие, снижение КПД ступени турбины, и возможность отказа в работе при заклинивании синхронизирующего кольца.

Наиболее близким аналогом (прототипом) предлагаемого решения является направляющий сопловой аппарат радиальной турбины, по патенту RU 32532, 2003 г., который содержит ряд сопловых лопаток, равномерно размещенных вокруг оси рабочего колеса турбины, и установленных цапфами в корпусе турбины с возможностью регулируемого поворота в канале, образованном стенками корпуса, а также приводное устройство и регулировочное устройство в виде кольцевого синхронизатора поворота, взаимосвязанного с сопловыми лопатками посредством закрепленных на их цапфах поводков (регулирующих лопаток), свободные концы которых размещены в радиальных пазах синхронизирующего диска.

В прототипе с целью повышения точности регулирования НСА лопатки выполнены составными, состоящие из подвижного и неподвижного элементов, сочлененных между собой по дуге окружности - это усложняет изготовление НСА. Однако достаточный для повышения КПД ступени турбины уровень точности регулирования в прототипе не обеспечивается из-за базирования синхронизирующего диска с возможностью скольжения в выемке корпуса турбины и соответственно зависимости зазора между ними от температурных деформаций корпуса турбины.

Задача, реализуемая изобретением, направлена на создании НСА, у которого температурные деформации корпуса турбины не оказывают влияния на точность регулирования НСА ступени радиальной турбины, обеспечивающего повышение КПД ступени турбины, и повышение надежности и длительной работоспособности.

Технический результат, получаемый от использования изобретения, заключается в увеличении точности синхронного поворота лопаток, уменьшении перетечет газа в зазоры по торцам поворотных лопаток и снижение интенсивности износа узлов от сухого высокотемпературного трения.

Для достижения технического результата в направляющем сопловом аппарате радиальной турбины, содержащим сопловые лопатки, равномерно размещенные вокруг оси рабочего колеса турбины, и установленные цапфами в корпусе турбины с возможностью поворота в канале образованным стенками корпуса, приводное устройство и регулировочное устройство, в виде кольцевого синхронизатора поворота, взаимосвязанного с сопловыми лопатками посредством закрепленных на их цапфах поводков, свободные концы которых размещены в радиальных пазах синхронизатора,

в отличии от известных аналогов

- каждый из упомянутых поводков выполнен в виде двуплечего рычага,

- синхронизатор поворота выполнен в виде двух концентричных дисков: внутреннего и внешнего, связанных между собой с возможностью взаимного разворота, каждый из которых базируется радиальными пазами, на обращенных к нему свободных концах рычагов.

Дополнительно отличия состоят в том, что:

- между обращенными друг к другу поверхностями дисков синхронизатора размещено, по меньшей мере, три элемента в виде тела качения, например ролики или шарики;

- образующая канал стенка корпуса по месту расположения сопловой лопатки выполнена с возможностью аксиального смещения, например подпружинена в сторону лопатки;

- сопловая лопатка взаимосвязана с подвижной стенкой корпуса через подшипник скольжения, а с противоположной стенкой - через подшипник качения.

Базирование дисков синхронизатора на свободных концах двуплечих рычагов при разных температурных деформациях корпуса турбины и дисков благодаря возможности перемещения концов рычагов в радиальных пазах дисков обеспечивает точность синхронного поворота лопаток и повышает КПД ступени турбины, а также обеспечивает работоспособность при перекосе деталей НСА и корпуса турбины на переходных режимах при разных температурных деформациях деталей НСА. Поджатая стенка, образующая канал по месту расположения сопловой лопатки, обеспечивает постоянный зазор, не зависящий от температурных деформациях корпуса турбины, что повышает КПД ступени турбины.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 дан общий вид НСА (разрез), на фиг.2 - разрез А-А на фиг.1.

В корпусе турбины 1 в канале 2, образованном стенками 3 и 4, размещены равномерно вокруг оси 5 рабочего колеса 6 сопловые лопатки 7, установленные своими цапфами 8 в корпус 1 с возможностью поворота относительно осей своих цапф 8. На свободных концах цапф 8 закреплены поводки выполненные в виде двуплечих рычагов 9. Для согласованного совместного поворота лопаток 6 имеется синхронизатор поворота, состоящий из двух концентричных дисков внутреннего 10 и внешнего 11. Свободные концы двуплечих рычагов 9 вставлены в радиальные пазы в дисках 10 и 11. Между дисками 10 и 11 установлены ролики 12, оси которых соединены поводками 13 с осями ближайших цапф 8. Приводной вал 14 соединен с приводным рычагом 15, который соединен с дисками 10 и 11 и приводным устройством (не показано). Для уменьшения момента трения на цапфе 8 установлен подшипник качения 16. Стенка 4 выполнена с возможностью прижима к лопаткам 7, например, пружиной 17. Бобышка 18 служит подшипником скольжения.

Регулирование НСА осуществляется следующим образом. Вращательное движение через приводной вал 14 и приводной рычаг 15 передается дисками 10 и 11, что приводит к их вращению вокруг оси 5, причем диски вращаются в разные стороны. Вращение дисков 10 и 11 приводит к синхронному повороту лопаток 7 через двуплечие рычи 9 и цапфы 8. Подшипники 16 и 18 уменьшают момент трения при синхронном повороте лопаток 7.

Направляющий сопловой аппарат радиальной турбины содержит сопловые лопатки, приводное устройство и регулировочное устройство. Сопловые лопатки равномерно размещены вокруг оси рабочего колеса турбины и установлены цапфами в корпусе турбины с возможностью регулируемого поворота в канале, образованном стенками корпуса. Регулировочное устройство выполнено в виде кольцевого синхронизатора поворота, взаимосвязанного с сопловыми лопатками посредством закрепленных на их цапфах поводков. Каждый из поводков выполнен в виде двуплечего рычага, свободные концы которого размещены в радиальных пазах синхронизатора поворота. Синхронизатор поворота выполнен в виде двух концентричных дисков: внутреннего и внешнего, связанных между собой с возможностью взаимного разворота, каждый из которых базируется радиальными пазами на обращенных к нему свободных концах рычагов. Изобретение позволяет увеличить точность синхронного поворота лопаток, уменьшить перетечки газа в зазорах по торцам поворотных лопаток и снизить интенсивность износа узлов от сухого высокотемпературного трения. 4 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Направляющий сопловой аппарат радиальной турбины, содержащий сопловые лопатки, равномерно размещенные вокруг оси рабочего колеса турбины и установленные цапфами в корпусе турбины с возможностью регулируемого поворота в канале, образованном стенками корпуса, приводное устройство, регулировочное устройство в виде кольцевого синхронизатора поворота, взаимосвязанного с сопловыми лопатками посредством закрепленных на их цапфах поводков, свободные концы которых размещены в радиальных пазах синхронизатора, отличающийся тем, что каждый из упомянутых поводков выполнен в виде двуплечего рычага, а синхронизатор поворота выполнен в виде двух концентричных дисков, внутреннего и внешнего, связанных между собой с возможностью взаимного разворота, каждый из которых базируется радиальными пазами на обращенных к нему свободных концах рычагов.2. Сопловой аппарат по п.1, отличающийся тем, что между обращенными друг к другу поверхностями дисков синхронизатора размещено, по меньшей мере, три элемента в виде тела качения, например ролики или шарики.3. Сопловой аппарат по п.1, отличающийся тем, что образующая канал стенка корпуса по месту расположения сопловой лопатки выполнена с возможностью аксиального смещения, например подпружинена в сторону лопатки.4. Сопловой аппарат по п.3, отличающийся тем, что сопловая лопатка взаимосвязана с подвижной стенкой корпуса через подшипник скольжения.5. Сопловой аппарат по п.1, отличающийся тем, что сопловая лопатка взаимосвязана с корпусом со стороны цапфы подшипником качения.