ТУРБИНА, ПО МЕНЬШЕЙ МЕРЕ, С ОДНИМ РОТОРОМ, СОСТОЯЩИМ ИЗ РОТОРНЫХ ДИСКОВ И СТЯЖНОГО БОЛТА Российский патент 2011 года по МПК F01D5/06 

Изобретение относится к газовой турбине, содержащей, по меньшей мере, один ротор, который имеет расположенные в нескольких плоскостях на окружности роторных дисков рабочие лопатки, при этом стяжной болт проходит вдоль выемок в роторных дисках и удерживает роторные диски вместе в виде одного блока, и при этом ротор дополнительно имеет, по меньшей мере, один кольцеобразно окружающий стяжной болт канал, при этом, по меньшей мере, в одном канале предусмотрена, по меньшей мере, одна выполненная кольцеобразно распорка для фиксации положения стяжного болта относительно средней оси ротора, и распорка имеет выемки, которые расположены в радиальном направлении относительно стяжного болта или, соответственно, относительно его средней оси и проходят коаксиально.

Многоступенчатые газовые турбины, по меньшей мере, с одним ротором, который имеет расположенные в нескольких радиальных плоскостях турбинные лопатки по окружности роторных дисков, в принципе известны в различных вариантах выполнения.

Кроме того, известно также выполнение, по меньшей мере, в газовых турбинах отдельных роторных дисков с торцевыми поверхностями с геометрическим замыканием так, что обеспечивается возможность удерживания их вместе в виде блока с помощью проходящего через роторные диски стяжного болта. Однако с увеличением конструктивной длины увеличивается свободно колеблющаяся длина, т.е. не имеющая опоры длина стяжного болта. За счет этого собственные частоты сдвигаются на уровень вблизи частоты вращения ротора, так что при работе или, соответственно, при центрифугировании могут возникать недопустимо высокие амплитуды колебаний. Они могут разрушить не только стяжной болт, но также всю газовую турбину. Это относится, в частности, к газовым турбинам, в которых стяжной болт проходит через компрессор, затем через средний полый вал с находящимися там радиально снаружи камерами сгорания и наконец через турбину.

В US 3749516 раскрыт аналогично выполненный ротор двойного радиального компрессора. Известный ротор содержит несколько роторных дисков и расположенный посредине полый вал. По центру через полый вал и через роторные диски проходит стяжной болт, который с помощью навинченных на стороне конца концевых элементов стягивает неподвижно друг с другом роторные диски и полый вал. Для фиксации стяжного болта в его положении внутри ротора на нем предусмотрена гильза с пружинно закрепленными на одной стороне распорками, которые через винт опираются на полый вал.

В основу изобретения положена задача предусмотрения мер для предотвращения собственных колебаний стяжного болта независимо от постоянной при работе стационарной газовой турбины скорости вращения. При этом все вращающиеся части газовой турбины должны образовывать возможно жесткий блок.

Для решения этой задачи в изобретении предусмотрено, что в описанной выше газовой турбине канал или, соответственно, каналы выполнены для прохождения охлаждающей среды и ограничены в радиальном направлении снаружи разделительной трубой или средним полым валом, при этом выемки служат в качестве проходных отверстий для охлаждающей среды.

Предпочтительно распорка состоит из одной части. Более предпочтительно распорка является пружинно упругой.

В принципе, распорка, согласно изобретению, является пружинным кольцом с коаксиально проходящими проходными отверстиями. Она увеличивает демпфирование или, соответственно, жесткость стяжного болта в роторе и является достаточно стабильной для удерживания стяжного болта в его заданном положении независимо от скорости вращения. Ее легко устанавливать, при этом обеспечивается достаточное натяжение, несмотря на ее пружинные свойства. Поэтому обеспечивается работоспособность также при высоких скоростях вращения.

Кроме того, применение распорок повышает не только собственную частоту стяжного болта, но также собственную жесткость всех частей.

Дополнительно к этому, распорки, согласно изобретению, можно в принципе применять также в зоне охлаждающих и разделительных труб, которые окружают стяжной болт на расстоянии на определенном осевом участке. В этом случае распорки находятся между стяжным болтом и направляющей охлаждающую среду, ограничивающей снаружи кольцевой канал разделительной трубой. При необходимости в этой связи может быть образован дополнительный кольцевой канал между внутренней или первой разделительной трубой и наружной или второй разделительной трубой, так что в этом случае первая распорка предусмотрена между стяжным болтом и внутренней разделительной трубой и, при необходимости, вторая распорка - между внутренней разделительной трубой и наружной разделительной трубой, с помощью которых стяжной болт опирается в отдельных местах на расположенные далее наружу в радиальном направлении относящиеся к ротору компоненты ротора. За счет имеющейся возможно в нескольких местах вдоль длины стяжного болта опоры можно значительно уменьшить свободную, способную к колебаниям длину стяжного болта. С помощью этой меры можно увеличить расстояние между собственной частотой стяжного болта и частотой вращения ротора, за счет чего существенно сокращается его склонность к колебаниям. Тем самым обеспечивается надежная работа газовой турбины.

Таким образом, с помощью простых средств возможно успешное решение указанной выше задачи.

Другие признаки изобретения следуют из зависимых пунктов формулы изобретения и чертежей во взаимосвязи с описанием.

Таким образом, предпочтительно, если в роторе расположено несколько каналов, которые ограничены каждый в радиальном направлении снаружи разделительной трубой или средним полым валом.

В другом варианте выполнения изобретения распорка фиксирована неподвижно, по меньшей мере, в радиальном направлении на окружности стяжного болта и/или разделительной трубы, ограничивающей канал для охлаждающей среды.

В еще одном варианте выполнения изобретения на стяжном болте и/или на разделительной трубе предусмотрен, по меньшей мере, один упор для фиксации в осевом направлении положения распорки.

Предпочтительно, если в качестве упора на стяжном болте и/или на разделительной трубе предусмотрено утолщение для фиксации положения.

В другом предпочтительном варианте изобретения стяжной болт ограничивает внутренний кольцеобразный канал в радиальном направлении внутри, и первая разделительная или, соответственно, внутренняя труба ограничивает канал снаружи.

Далее, так же является предпочтительным, если наружный кольцеобразный канал охватывает внутреннюю первую разделительную или, соответственно, внутреннюю трубу и ограничен снаружи второй разделительной или, соответственно, наружной трубой.

Предпочтительно распорки одинакового вида как для стяжного болта одновременно расположены между внутренней трубой и наружной трубой кольцеобразного охлаждающего канала.

В более предпочтительном варианте распорка расположена и фиксирована по положению в кольцеобразном охлаждающем канале на внутренней стороне трубы.

В еще одном варианте выполнения изобретения распорка является кольцевым элементом и содержит, по меньшей мере, одно опорное кольцо с радиально проходящими опорными плечами, которые имеют опорные поверхности на своих концах.

Предпочтительно, если между соседними опорными плечами опорного кольца расположены проходные отверстия для охлаждающей среды так, что для прохождения потока охлаждающей среды остается в распоряжении примерно половина кольцевого поперечного сечения канала.

Более предпочтительно опорные поверхности расположены на свободных концах опорных плеч на опорных ножках.

Также предпочтительным является то, если опорные плечи проходят от опорного кольца к опорным ножкам наклонно к средней оси ротора.

В еще одном варианте выполнения изобретения распорка установлена посредством термоусаживания на несущем ее стяжном болте.

Предпочтительно, если, по меньшей мере, одна распорка предусмотрена между стяжным болтом и, по меньшей мере, одним из роторных дисков, которые несут на своей окружности рабочие лопатки.

Ниже приводится подробное описание изобретений на основе примеров выполнения со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых изображено:

фиг.1 - частичный разрез части ротора многоступенчатой газовой турбины;

фиг.2 - распорка, в изометрической проекции в другом масштабе;

фиг.3 - распорка, согласно фиг.2, но в изометрической проекции сверху;

фиг.4 - частичный разрез распорки на стяжном болте, а также внутренней и наружной разделительной трубы для образования кольцевого канала для охлаждающей среды,

фиг.5 - разрез по линии V-V на фиг.4.

Ротор 2 многоступенчатой газовой турбины 1 содержит, как показано в частичном разрезе на фиг.1, расположенные в нескольких плоскостях 3 роторные диски 5, которые несут на окружности рабочие лопатки 4. Стяжной болт 6 проходит вдоль расположенных посредине выемок 7 в роторных дисках 5 через находящуюся слева на фиг.1 компрессорную часть газовой турбины 1 и закреплен в одном из не изображенных роторных дисков или, соответственно, в подходящей роторной части не изображенным образом.

Затянутый стяжной болт 6 сжимает роторные диски 5, а также другие роторные части турбинного блока с геометрическим замыканием само по себе известным образом.

В осевом направлении рядом с относящимися к компрессору газовой турбины роторными дисками 5 находится средний полый вал 9, который своим противоположным, не изображенным концом прилегает к роторным частям турбинного блока. В радиальном направлении снаружи этого среднего полого вала 9 внутри корпуса газовой турбины расположены камеры сгорания.

Между средним полым валом 9 и стяжным болтом 6 находится, по меньшей мере, один кольцеобразный канал 10 или, соответственно, 11. Каналы 10, 11 служат каждый для направления охлаждающей среды 12 с расположенного на стороне компрессора участка ротора 2 к расположенному на стороне турбины участку. Охлаждающая среда 12 показана на фиг.1 с помощью стрелки.

Направляющий охлаждающую среду 12, кольцевой в поперечном сечении канал 11 может быть окружен первой или внутренней разделительной трубой 13, через которую по центру проходит стяжной болт 6. Кроме того, между первой или внутренней разделительной трубой 13 и второй или наружной разделительной трубой 14 может быть расположен другой кольцеобразный охлаждающий канал 10 для направления охлаждающей среды. Для точной фиксации положения стяжного болта 6 во внутренней разделительной трубе 13 предусмотрена, по меньшей мере, одна распорка 15. Эта распорка 15 является пружинно упругим кольцевым элементом и состоит, по меньшей мере, из одного опорного кольца 16, которое имеет на своем конце проходящие в радиальном направлении опорные плечи 17 и на каждом опорном плече 17 соответствующую опорную ножку 18, как следует из фиг.2-6 в соединении с фиг.1.

Согласно показанным на фигурах примерам выполнения распорка 15 или, соответственно, пружинно упругий кольцевой элемент выполнен в виде одной части, при этом опорные плечи 17 проходят радиально к опорному кольцу 16 и заканчиваются опорными ножками 18. Согласно примеру выполнения каждая опорная ножка 18 имеет на своем конце опорную поверхность 20, с помощью которой распорка 15 или, соответственно, ее опорное плечо 17 прилегает к внутренней стороне разделительной трубы 13.

Опорные плечи 17 проходят от опорного кольца 16 к опорным ножкам с наклоном к средней оси М ротора 2. За счет этого на обращенном к кольцу конце опорного плеча 17 образуется фиктивная шарнирная точка, вокруг которой может поворачиваться в радиальном направлении опорное плечо 17, когда оно соответственно изгибается под действием центробежных сил. Таким образом, центробежные силы приводят к тому, что опорные ножки 18 за счет центробежной силы не отделяются от своей поверхности опоры, а в соответствии с более высокой скоростью вращения ротора 2 все сильнее прилегают к своей поверхности опоры с разжимающей силой, при этом одновременно надежно предотвращается уменьшение радиального расстояния между опорным кольцом 16 и опорной ножкой 18. Это справедливо, по меньшей мере, в случае, когда опорное кольцо в установленном состоянии находится радиально внутри, а опорные ножки радиально снаружи.

Имеющие в принципе ту же конструкцию распорки 15', которые имеют возможно лишь немного другие размеры, предусмотрены также для задания кольцеобразного канала 10 для охлаждающей среды, как показано на фиг.1. При этом опорное кольцо 16' лежит снаружи на первой или внутренней разделительной трубе 13 и опирается своими опорными ножками 18' на вторую или наружную трубу 14.

При этом разделительная труба 14 служит дополнительно для внутреннего в радиальном направлении ограничения относительно среднего полого вала 9, как показано на фиг.1.

На основании опорных плеч 17 распорка 15 имеет выемки 21, которые в установленном состоянии проходят радиально относительно стяжного болта 6 или, соответственно, относительно его средней оси М, а также коаксиально стяжному болту 6. За счет этого распорки 15 фиксируют не только стяжной болт 6 и/или обе разделительные трубы 13 и 14 относительно средней оси М ротора 2 и стяжного болта 6, но также обеспечивают возможность свободного и без помех коаксиального прохождения потока охлаждающей среды 12. В установленном состоянии выемки 21 образуют соответствующие проходные отверстия.

В принципе, распорки 15, 15' являются не только выполненными из одной части, но также на основании своей формы и на основании применяемого материала также пружинно упругими.

Согласно показанному на фиг.4 примеру выполнения, за счет распорок 15 и их опорных плеч 17 и их опорных ножек 18 остается примерно половина кольцевого поперечного сечения для образования свободных проходных отверстий 21. Таким образом, примерно еще половина поперечного сечения канала свободна для прохождения потока охлаждающей среды.

Независимо от этого, распорки 15, 15' неподвижно фиксированы на окружности 22 стяжного болта 6 или, соответственно, на окружности 23 разделительной трубы 13 в радиальном направлении. Для этого распорки 15, 15' целесообразно подвергнуты термоусаживанию своим опорным кольцом 16, 16' на несущем их стяжном болте 6 разделительной трубы 13.

Наконец, стяжной болт 6 и возможно также внутренняя разделительная труба, которые несут соответствующие распорки 15, 15', могут иметь упоры 24, 25 для распорок 15, 15'. Эти упоры 24, 25, согласно показанным на чертежах примерам выполнения, являются каждый окружным утолщением и точно задают в осевом направлении те места, к которым должны прилегать распорки 15, 15' при термоусаживании.

В принципе те же распорки, что и распорки 15 или, соответственно, 15', могут быть расположены также между несущими на своей окружности рабочие лопатки 4 роторными дисками 5 и стяжным болтом 6. На фиг.1 это схематично обозначено в зоне выемок 7 с помощью пересекающихся штриховых линий. Конкретно, прежде всего первый роторный диск рядом со средним полым валом может быть целесообразно соединен с помощью одной или нескольких распорок 15 указанного вида. В принципе то же относится также к другим роторным дискам 5, для чего они могут быть непосредственно соединены либо со стяжным болтом 6, либо с первой или, соответственно, внутренней разделительной трубой 13.

Газовая турбина содержит ротор, включающий роторные диски с расположенными на их окружности рабочими лопатками и стяжной болт. Стяжной болт проходит вдоль выемок в роторных дисках и удерживает роторные диски вместе в виде одного блока. Ротор дополнительно имеет, по меньшей мере, один канал окружающий стяжной болт. В канале расположена, по меньшей мере, одна распорка для фиксации положения стяжного болта относительно оси ротора имеющая выемки, расположенные в радиальном направлении относительно стяжного болта. Канал выполнен для прохождения охлаждающей среды и ограничен в радиальном направлении снаружи разделительной трубой или средним полым валом, а выемки служат в качестве проходных отверстий для охлаждающей среды. Изобретение позволяет повысить надежность турбины за счет снижения колебаний стяжного болта. 24 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Газовая турбина (1), содержащая, по меньшей мере, один ротор (2), который имеет расположенные в нескольких плоскостях (3) на окружности роторных дисков (5) рабочие лопатки (4), при этом стяжной болт (6) проходит вдоль выемок (7) в роторных дисках (5) и удерживает роторные диски (5) вместе в виде одного блока (8), и при этом ротор (2) дополнительно имеет, по меньшей мере, один кольцеобразно окружающий стяжной болт (6) канал (10, 11), при этом, по меньшей мере, в одном канале (10, 11) предусмотрена, по меньшей мере, одна выполненная кольцеобразно распорка (15, 15') для фиксации положения стяжного болта (6) относительно средней оси (М) ротора (2), и распорка (15, 15') имеет выемки (21), которые расположены в радиальном направлении относительно стяжного болта (6) или, соответственно, относительно его средней оси (М) и проходят коаксиально, отличающаяся тем, что канал (10, 11) или, соответственно, каналы (10, 11) выполнены для прохождения охлаждающей среды (12) и ограничены в радиальном направлении снаружи разделительной трубой (13, 14) или средним полым валом (9), при этом выемки (21) служат в качестве проходных отверстий для охлаждающей среды (12).

2. Газовая турбина по п.1, отличающаяся тем, что распорка (15, 15') состоит из одной части.

3. Газовая турбина по п.1 или 2, отличающаяся тем, что распорка (15, 15') является пружинно-упругой.

4. Газовая турбина по п.1 или 2, отличающаяся тем, что в роторе (2) расположено несколько каналов (10, 11), которые ограничены каждый в радиальном направлении снаружи разделительной трубой (13, 14) или средним полым валом (9).

5. Газовая турбина по п.4, отличающаяся тем, что распорка (15, 15') фиксирована неподвижно, по меньшей мере, в радиальном направлении на окружности (22, 23) стяжного болта (6) и/или разделительной трубы (13, 14), ограничивающей канал (10, 11) для охлаждающей среды.

6. Газовая турбина по п.4, отличающаяся тем, что, по меньшей мере, один упор (24, 25) предусмотрен на стяжном болте (6) и/или на разделительной трубе (13, 14) для фиксации в осевом направлении положения распорки (15, 15').

7. Газовая турбина по п.6, отличающаяся тем, что в качестве упора (24, 25) на стяжном болте (6) и/или на разделительной трубе (15) предусмотрено утолщение для фиксации положения.

8. Газовая турбина по п.5 или 6, отличающаяся тем, что стяжной болт (6) ограничивает внутренний кольцеобразный канал (11) в радиальном направлении внутри, и первая разделительная или, соответственно, внутренняя труба (13) ограничивает канал (10) снаружи.

9. Газовая турбина по п.5 или 6, отличающаяся тем, что наружный кольцеобразный канал (10) охватывает внутреннюю первую разделительную или, соответственно, внутреннюю трубу (13) и ограничен снаружи второй разделительной или, соответственно, наружной трубой (14).

10. Газовая турбина по п.9, отличающаяся тем, что распорки (15, 15') одинакового вида как для стяжного болта (6) одновременно расположены между внутренней трубой (13) и наружной трубой (14) кольцеобразного охлаждающего канала (10).

11. Газовая турбина по п.9, отличающаяся тем, что распорка (15) расположена и фиксирована по положению в кольцеобразном охлаждающем канале (10) на внутренней стороне трубы.

12. Газовая турбина по п.1 или 2, отличающаяся тем, что распорка (15) является кольцевым элементом и содержит, по меньшей мере, одно опорное кольцо (16) с радиально проходящими опорными плечами (17), которые имеют опорные поверхности (20) на своих концах.

13. Газовая турбина по п.12, отличающаяся тем, что между соседними опорными плечами (17) опорного кольца (16) расположены проходные отверстия (21) для охлаждающей среды (12) так, что для прохождения потока охлаждающей среды остается в распоряжении примерно половина кольцевого поперечного сечения канала (10, 11).

14. Газовая турбина по п.12, отличающаяся тем, что опорные поверхности (20) расположены на свободных концах опорных плеч (17) на опорных ножках (18).

15. Газовая турбина по п.12, отличающаяся тем, что опорные плечи (17) проходят от опорного кольца (16) к опорным ножкам (18) наклонно к средней оси (М) ротора (2).

16. Газовая турбина по п.1 или 2, отличающаяся тем, что распорка (15, 15') установлена посредством термоусаживания на несущем ее стяжном болте (6).

17. Газовая турбина по п.1 или 2, отличающаяся тем, что, по меньшей мере, одна распорка (15) предусмотрена между стяжным болтом (6) и, по меньшей мере, одним из роторных дисков (5), которые несут на своей окружности рабочие лопатки (4).

18. Газовая турбина по п.4, отличающаяся тем, что распорка (15) является кольцевым элементом и содержит, по меньшей мере, одно опорное кольцо (16) с радиально проходящими опорными плечами (17), которые имеют опорные поверхности (20) на своих концах.

19. Газовая турбина по п.5, отличающаяся тем, что распорка (15) является кольцевым элементом и содержит, по меньшей мере, одно опорное кольцо (16) с радиально проходящими опорными плечами (17), которые имеют опорные поверхности (20) на своих концах.

20. Газовая турбина по п.4, отличающаяся тем, что между соседними опорными плечами (17) опорного кольца (16) расположены проходные отверстия (21) для охлаждающей среды (12) так, что для прохождения потока охлаждающей среды остается в распоряжении примерно половина кольцевого поперечного сечения канала (10, 11).

21. Газовая турбина по п.5, отличающаяся тем, что между соседними опорными плечами (17) опорного кольца (16) расположены проходные отверстия (21) для охлаждающей среды (12) так, что для прохождения потока охлаждающей среды остается в распоряжении примерно половина кольцевого поперечного сечения канала (10, 11).

22. Газовая турбина по п.13, отличающаяся тем, что опорные поверхности (20) расположены на свободных концах опорных плеч (17) на опорных ножках (18).

23. Газовая турбина по п.4, отличающаяся тем, что распорка (15, 15') установлена посредством термоусаживания на несущем ее стяжном болте (6).

24. Газовая турбина по п.5, отличающаяся тем, что распорка (15, 15') установлена посредством термоусаживания на несущем ее стяжном болте (6).

25. Газовая турбина по п.4, отличающаяся тем, что распорка (15, 15') установлена посредством термоусаживания на несущей ее разделительной трубе (13).