УЛИТОЧНЫЙ НАПРАВЛЯЮЩИЙ АППАРАТ И СООТВЕТСТВУЮЩАЯ ТУРБИНА Российский патент 2012 года по МПК F01D9/02 F01D25/24 

Область техники

Изобретение относится к улиточному направляющему аппарату, используемому в роторной машине, такой как паровая турбина или газовая турбина. Также к изобретение относится к соответствующей турбине.

Уровень техники

Говоря в общих чертах, улиточный направляющий аппарат, используемый в роторной машине, такой как турбина, расположен перед первой статорной лопаткой (со стороны подачи рабочей текучей среды) или позади последней роторной лопатки (со стороны выпуска рабочей текучей среды) в турбине, в которой в качестве рабочей текучей среды используется высокотемпературный пар или газ. Улиточный направляющий аппарат представляет собой сварную конструкцию из листового металла, через которую протекает рабочая текучая среда (см., например, патентный документ 1).

Известный из уровня техники улиточный направляющий аппарат содержит верхний кожух и нижний кожух, разделенные горизонтальной плоскостью, причем верхний кожух и нижний кожух скреплены друг с другом болтами (см., например, патентный документ 2).

Улиточный направляющий аппарат обеспечивает теплоизоляцию периферического стационарного элемента и направляет поток рабочей текучей среды.

Если рабочая текучая среда, входящая в турбину или выходящая из нее, нагрета до высокой температуры, улиточный направляющий аппарат экранирует излучение и передачу тепла от этой рабочей текучей среды и предотвращает нагревание периферических стационарных элементов, таких как внутренний кожух.

В этом случае в качестве материала для улиточного направляющего аппарата используют материал, отличающийся высокой прочностью при высокой температуре. Кроме того, в целях поддержания надлежащей прочности материала улиточного направляющего аппарата, внешнюю периферическую поверхность этого аппарата принято омывать охлаждающей текущей средой, снижающей температуру улиточного направляющего аппарата.

Канал, образованный в улиточном направляющем аппарате перед первой статорной лопаткой или позади последней роторной лопатки, спрофилирован с учетом законов аэродинамики, чтобы стабилизировать протекание рабочей текучей среды. Благодаря этой мере становится возможным снизить падение давления рабочей текучей среды, а следовательно, улучшить производительность турбины.

Патентный документ 1 - японская заявка на изобретение, в отношении которой не проводилась экспертиза; публикация № Н1-117929.

Патентный документ 2 - японская заявка на изобретение, в отношении которой проводилась экспертиза; публикация № S60-6607.

Сущность изобретения

Если улиточный направляющий аппарат разделен горизонтальной плоскостью на две части, как описано выше, то верхний кожух и нижний кожух снабжены соединительными фланцами. В результате, возникает проблема увеличения размера улиточного направляющего аппарата.

Однако увеличение размера улиточного направляющего аппарата ведет к увеличению размера стационарной части (или подобной части, такой как внутренний кожух), размещенной на периферической поверхности улиточного направляющего аппарата. При этом, естественно, увеличивается вес турбины и материальные затраты на ее изготовление.

В случае неодинаковости давлений внутри и снаружи улиточного направляющего аппарата возникает проблема, состоящая в том, что рабочая текучая среда может просачиваться наружу через шов между верхним и нижним кожухами, при этом текучая среда, находящаяся снаружи улиточного направляющего аппарата, например воздух, может всасываться внутрь через указанный шов. Упомянутые обстоятельства негативно влияют на поток текучей среды в турбине и, как следствие, на производительность турбины.

Кроме того, в аппарате, в котором верхний кожух и нижний кожух прикреплены друг к другу болтами, должно быть предусмотрено технологическое пространство, обеспечивающее возможность проведения манипуляций при сборке и разборке улиточного направляющего аппарата. Данное обстоятельство накладывает ограничения на форму канала в улиточном направляющем аппарате. Говоря другими словами, в случае упомянутого улиточного направляющего аппарата условие обеспечения сложной формы канала, учитывающей законы аэродинамики, вступает в противоречие с условием обеспечения формы, предусматривающей возможность сборки и разборки улиточного направляющего аппарата.

В традиционном улиточном направляющем аппарате более высокий приоритет отдается условию обеспечения формы, предусматривающей возможность сборки и разборки улиточного направляющего аппарата, вследствие чего форма канала в улиточном направляющем аппарате не позволяет минимизировать аэродинамические потери. Как результат, в таком аппарате возникает проблема падения давления рабочей текучей среды.

Настоящее изобретение предложено для решения вышеуказанных проблем. Его задача заключается в создании такого улиточного направляющего аппарата, который позволяет повысить надежность и производительность роторной машины, в частности турбины, а также уменьшить ее размеры. Другая задача изобретения заключается в создании соответствующей турбины.

Для выполнения поставленных задач в настоящем изобретении предложены следующие технические решения.

Согласно первому аспекту настоящего изобретения предложен улиточный направляющий аппарат для роторной машины, содержащий: кожух, который полностью закрывает зону, окружающую кольцевой канал, проходящий кольцом вокруг оси вращения вращающейся части роторной машины, и цилиндрический канал, проходящий от кольцевого канала в сторону оси вращения и идущий к вращающейся части; связующую часть, которая удерживает кожух, относительно удерживающей части, с обеспечением возможности его расширения и сокращения в радиальном направлении от оси вращения, проходящей через его центр.

В соответствии с вышеупомянутым аспектом, поскольку кожух выполнен в виде цельного элемента, предотвращается просачивание рабочей текучей среды наружу, а также проникновение внутрь кожуха внешней текучей среды, вызванное ее всасыванием. Напротив, если кожух разделен на две части, т.е. на верхний кожух и нижний кожух, то существует вероятность просачивания рабочей текучей среды сквозь шов между верхним и нижним кожухами. Однако в случае выполнения кожуха за одно целое указанный шов у него отсутствует, что позволяет не допустить просачивания рабочей текучей среды.

Благодаря выполнению кожуха в виде цельного элемента становится возможным (в отличие от случая, при котором кожух разделен на две части) спрофилировать цилиндрический канал в форме, которая исключает падение давления внутри указанного канала. Напротив, если кожух разделен на две части, то в нем необходимо предусмотреть пространство для размещения крепежных элементов, таких как болты, скрепляющие друг с другом верхний и нижний кожухи, а также пространство для выполнения сборки или разборки болтового соединения, поэтому форма цилиндрического канала является ограниченной. Однако если кожух выполнен в виде цельного элемента, отсутствует необходимость использования крепежных болтов, и, соответственно, на форму канала не накладываются ограничения. Как результат, обеспечивается возможность профилирования такой формы канала, которая вызывает минимальное падение давления.

Благодаря выполнению кожуха в виде цельного элемента становится возможным (в отличие от случая, при котором кожух разделен на две части) уменьшить размер улиточного направляющего аппарата. Напротив, если кожух разделен на две части, то фланцы, используемые для скрепления верхнего и нижнего кожуха друг с другом, выступают из кожухов наружу. Однако, если кожух выполнен за одно целое, предусматривать указанные фланцы не обязательно, в силу чего размеры кожуха можно уменьшить.

Поскольку кожух удерживается связующей частью таким образом, что может расширяться и сокращаться в радиальном направлении, исключается вероятность нарушения соосности кожуха, которое возникает в случае ограничения его деформации, а также вероятность повреждения спирального кожуха вследствие высокого внутреннего напряжения.

Например, в случае если кожух фиксирован даже всего в одной точке, неравномерная деформация может привести к нарушению его соосности. Кроме того, наличие всего одной точки фиксации кожуха ограничивает возможности температурной деформации кожуха, в результате чего кожух может быть поврежден.

Однако если кожух установлен с возможностью расширения и сокращения в радиальном направлении, искажение формы кожуха предотвращается. Как следствие, минимизирована вероятность просачивания рабочей текучей среды через части кожуха, обеспечивающие его соединение с другими элементами.

Температурная деформация вышеописанного кожуха не ограничена. Данное обстоятельство уменьшает вероятности нарушения соосности и термического напряжения кожуха.

Примеры роторных машин включают машины общего назначения, использующие текучую среду, такие как паровая турбина, компрессор и насос.

В соответствии с предпочтительным вариантом изобретения связующая часть содержит: первый выступ, который предусмотрен на одном из элементов, включающих в себя кожух и удерживающую часть, и проходит в одном направлении вдоль радиальной линии; первый паз, который выполнен в другом из указанных элементов, включающих в себя кожух и удерживающую часть, открыт в другом направлении вдоль указанной радиальной линии и проходит в окружном направлении относительно оси вращения, причем в этот первый паз вводится указанный первый выступ; первое углубление, которое представлено вырезом в одной стенке, формирующей паз в одном направлении вдоль указанной радиальной линии и через которое проходит первый выступ за счет его перемещения вдоль оси вращения относительно указанной стенки.

Согласно вышеупомянутому варианту кожух удерживается с возможностью расширения и сокращения в радиальном направлении, однако смещение кожуха вдоль оси вращения ограничено.

В частности, первый выступ, проходящий в одном из направлений вдоль радиальной линии, открыт в другом направлении вдоль радиальной линии, и первый выступ вставлен в первый паз, проходящий в окружном направлении. При такой конфигурации ограничивается относительное перемещение вдоль оси вращения между первым выступом и первым пазом. Тем не менее, при этом обеспечивается возможность относительного перемещения между первым выступом и первым пазом в радиальном направлении.

Настоящее изобретение позволяет удерживать указанный кожух с возможностью расширения и сокращения в радиальном направлении, но ограничивая его перемещение вдоль оси вращения, даже в случае конструкции, в которой вращательный вал роторной машины проходит сквозь кожух.

Говоря более подробно, первый выступ размещают в первом пазу и перемещают его вдоль оси вращения с пропусканием через первое углубление, в результате вращательный вал турбины проходит через кожух. Затем первый выступ поворачивают в окружном направлении, размещая его в зоне первого паза, в которой отсутствует первое углубление, т.е. в зоне, в которой предусмотрена пара противолежащих стенок. Соответственно, относительное перемещение между первым выступом и первым пазом ограничивается вдоль оси вращения.

Согласно предпочтительному варианту изобретения связующая часть содержит: второй выступ, который предусмотрен на одном из элементов, включающих в себя кожух и удерживающую часть, и проходит в одном направлении вдоль радиальной линии; второе углубление, выполненное в другом из указанных элементов, включающих в себя кожух и удерживающую часть и открытое в другом направлении вдоль указанной радиальной линии, причем в это второе углубление вводится указанный второй выступ.

Согласно вышеупомянутому аспекту кожух удерживается с возможностью расширения и сокращения в радиальном направлении, но перемещение кожуха в направлении, пересекающем ось вращения, ограничено.

В частности, второй выступ, проходящий в одном направлении вдоль радиальной линии, вставлен во второе углубление, которое углублено в этом же направлении вдоль радиальной линии. При такой конструкции относительное перемещение между вторым выступом и вторым углублением в направлении, пересекающем ось вращения, ограничено. Однако относительное перемещение между вторым выступом и вторым углублением в радиальном направлении разрешено.

Согласно второму аспекту изобретения предложена турбина, содержащая: улиточный направляющий аппарат, соответствующий первому аспекту изобретения; вращающуюся часть, в которую втекает или из которой вытекает рабочая текучая среда, протекающая между вращающейся частью и улиточным направляющим аппаратом, и которая преобразует воздействие подаваемой рабочей текучей среды во вращательную движущую силу.

Согласно вышеупомянутому аспекту турбина содержит улиточный направляющий аппарат, соответствующий первому аспекту изобретения. Данное обстоятельство позволяет предотвратить утечку рабочей текучей среды, которая втекает во вращающуюся часть и вытекает из вращающейся части, и тем самым повысить надежность турбины.

Поскольку турбина содержит улиточный направляющий аппарат, соответствующий первому аспекту изобретения, уменьшено падение давления рабочей текучей среды, которая втекает во вращающуюся часть и вытекает из вращающейся части, и, как следствие, улучшена производительность турбины.

Поскольку турбина содержит улиточный направляющий аппарат, соответствующий первому аспекту изобретения, уменьшен размер кожуха и, таким образом, уменьшен размер самой турбины.

Благодаря выполнению кожуха в заявленном улиточном направляющем аппарате в виде цельного элемента становится возможным улучшить надежность и производительность роторной машины, в которой используется этот улиточный направляющий аппарат. Также удается уменьшить размеры роторной машины, в частности турбины и улиточного направляющего аппарата.

Благодаря тому, что кожух удерживается связующей частью с возможностью его расширения и сокращения в радиальном направлении, обеспечивается дополнительное улучшение надежности и производительности роторной машины, в частности турбины.

Краткое описание чертежей

Фиг.1 схематически иллюстрирует конфигурацию всей газовой турбины, соответствующую одному из вариантов изобретения.

Фиг.2 в аксонометрии иллюстрирует конфигурацию изображенной на фиг.1 впускной спиральной части, показанную со стороны турбинной части.

Фиг.3 в аксонометрии иллюстрирует конфигурацию изображенной на фиг.1 впускной спиральной части, показанную со стороны кожуха.

Фиг.4 в увеличенном масштабе изображает фрагмент сечения, иллюстрирующий конструкцию ограничивающей части, размещенной со стороны турбинной части, и ограничивающей части, размещенной со стороны кожуха, показанных на фиг.2 и 3.

Фиг.5 в увеличенном масштабе изображает фрагмент, иллюстрирующий конструкцию показанной на фиг.4 ограничивающей части, размещенной со стороны турбинной части.

Фиг.6 в увеличенном масштабе изображает фрагмент, иллюстрирующий конструкцию показанной на фиг.4 ограничивающей части, размещенной со стороны турбинной части.

Фиг.7 изображает сечение, иллюстрирующее положения горизонтальной ограничивающей части и вертикальной ограничивающей части, показанных на фиг.2.

Фиг.8 в увеличенном масштабе изображает фрагмент, иллюстрирующий конструкцию показанной на фиг.7 горизонтальной ограничивающей части.

Фиг.9 изображает сечение, взятое по линии А-А, иллюстрирующее конструкцию показанной на фиг.7 горизонтальной ограничивающей части.

Фиг.10 в увеличенном масштабе изображает фрагмент, иллюстрирующий конструкцию показанной на фиг.7 вертикальной ограничивающей части.

Список номеров позиций

1 - газовая турбина (роторная машина)

2А, 2В, 2С - кожух

3 - турбинная часть

5 - впускная спиральная часть

6 - выпускная спиральная часть

21 - спиральный корпус

22А - ограничивающая часть, размещенная со стороны турбинной части

22В - ограничивающая часть, размещенная со стороны кожуха

23А - горизонтальная ограничивающая часть

23В - вертикальная ограничивающая часть

31 - кольцевой канал

32 - цилиндрический канал

35 - удерживающая часть

43А, 43В - первый выступ

44А, 44В - первый паз

45А, 45В - первое углубление

51А, 51В - второй выступ

52А, 52В - второе углубление

Предпочтительный вариант выполнения изобретения

Далее со ссылкой на фиг.1 - 10 описан улиточный направляющий аппарат, соответствующий одному из вариантов изобретения, а также газовая турбина, оснащенная этим улиточным направляющим аппаратом.

Фиг.1 схематически иллюстрирует конфигурацию всей газовой турбины, соответствующую настоящему варианту выполнения.

Газовая турбина (в более общем случае роторная машина) 1 содержит кожухи 2А, 2В и 2С, определяющие ее наружную форму; турбинную часть 3, которая преобразует воздействие подаваемой рабочей текучей среды во вращательную движущую силу; вращательный вал 4, который приводится во вращение вокруг оси L под действием турбинной части 3; впускную спиральную часть 5, которая направляет рабочую текучую среду в турбинную часть 3; и выпускную спиральную часть 6, в которую протекает рабочая текучая среда, выпущенная из турбинной части 3.

Как показано на фиг.1, кожухи 2А и 2С вместе с кожухом 2В определяют наружную форму газовой турбины 1. Турбинная часть 3, вращательный вал 4, впускная спиральная часть 5 и выпускная спиральная часть 6 размещены в кожухах 2А и 2С. Кожухи 2А и 2С представляют собой по существу цилиндрические элементы, один торец которых закрыт. Говоря другими словами, кожухи представляют собой цилиндрические элементы, снабженные дном, т.е. так называемые горшкообразные элементы. Открытые торцы кожухов 2А и 2С соединены друг с другом встык и прикреплены друг к другу через размещенный между ними кожух 2В.

В закрытых торцах кожухов 2А и 2С предусмотрено сквозное отверстие 7, в которое вставлен вращательный вал 4. В цилиндрических поверхностях кожухов 2А и 2С выполнено отверстие 8, в которое вставлена труба, обеспечивающая втекание и вытекание рабочей текучей среды.

Из фиг.1 видно, что кожух 2В удерживает на себе турбинную часть 3 и определяет вместе с кожухами 2А и 2С внешнюю форму газовой турбины 1.

Кожух 2В по существу представляет собой дискообразный элемент, проходящий в радиальном направлении от оси L вращения, совпадающей с его центральной линией. Кожух 2В размещен между кожухами 2А и 2С.

Показанная на фиг.1 турбинная часть 3 содержит роторную лопатку 11 и статорную лопатку 12 (показаны на фиг.4). Турбинная часть 3 создает вращательную движущую силу под действием рабочей текучей среды, подаваемой из впускной спиральной части 5, и приводит во вращение вращательный вал 4.

Турбинная часть 3 может иметь любую известную конструкцию, т.е. конструкция турбинной части 3 не ограничивает объем правовой охраны изобретения.

Как следует из фиг.1, вращательный вал 4 приводится в действие турбинной частью 3 и вращается вокруг оси L,

Согласно фиг.1 рабочая текучая среда протекает через впускную спиральную часть 5 и выпускную спиральную часть 6. Рабочая текучая среда поступает в турбинную часть 3 через впускную спиральную часть 5, а рабочая текучая среда, выпущенная из турбинной части 3, переходит в выпускную спиральную часть 6. Поскольку конфигурации впускной спиральной части 5 и выпускной спиральной части 6 являются по существу идентичными, в данной заявке описана только впускная спиральная часть 5, тогда как описание выпускной спиральной части 6 опущено.

Фиг.2 в аксонометрии иллюстрирует конфигурацию изображенной на фиг.1 впускной спиральной части, показанную со стороны турбинной части. Фиг.3 в аксонометрии иллюстрирует конфигурацию изображенной на фиг.1 впускной спиральной части, показанную со стороны кожуха.

Как следует из фиг.2 и 3, впускная спиральная часть 5 содержит спиральный корпус 21, определяющий внешнюю форму впускной спиральной части 5; ограничивающую часть 22А, размещенную со стороны турбинной части; ограничивающую часть 22В, размещенную со стороны кожуха; горизонтальную ограничивающую часть 23А; вертикальную ограничивающую часть 23 В. Эти ограничивающие части удерживают спиральный корпус 21 относительно кожуха 2А таким образом, что спиральная камера может расширяться и сокращаться в радиальном направлении от оси L вращения, проходящей через ее центр, но ограничивают смещение спирального корпуса 21 вдоль оси L вращения.

Согласно фиг.2 и 3, спиральный корпус 21 полностью выполнен в кольцевой форме и в центральной части имеет отверстие, через которое вставлен вращательный вал 4. Как показано на фиг.1, в спиральном корпусе 21 предусмотрены кольцевой канал 31, проходящий кольцом вокруг оси L вращения, и цилиндрический канал 32, проходящий от кольцевого канала 31 к турбинной части 3 вдоль оси L вращения.

Фиг.4 в увеличенном масштабе изображает фрагмент сечения, иллюстрирующий конструкцию ограничивающей части, размещенной со стороны турбинной части, и ограничивающей части, размещенной со стороны кожуха, показанных на фиг.2 и 3.

Как показано на фиг.4, ограничивающая часть 22А, размещенная со стороны турбинной части, распложена в спиральном корпусе 21 со стороны турбинной части 3. Ограничивающая часть 22А, размещенная со стороны турбинной части, удерживает спиральный корпус 21 таким образом, что он может расширяться и сокращаться в радиальном направлении от оси L вращения, проходящей через его центр, но ограничивает смещение спирального корпуса 21 вдоль оси L вращения. Ограничивающая часть 22В, размещенная со стороны кожуха, распложена в спиральном корпусе 21 со стороны кожуха 2А. Ограничивающая часть 22В, размещенная со стороны кожуха, удерживает спиральный корпус 21 таким образом, что он может расширяться и сокращаться в радиальном направлении от оси L вращения, проходящей через его центр, но ограничивает перемещение спирального корпуса 21 вдоль оси L вращения.

Как следует из фиг.1, в кольцевой канал 31, имеющий кольцевую форму, снаружи поступает нагретая рабочая текучая среда. Площадь поперечного сечения канала постепенно уменьшается от нижней части (нижняя часть на фиг.1) к верхней части, вдоль которой протекает поступающая снаружи рабочая текучая среда. Благодаря выполнению канала 31 имеющим кольцевую форму, поток рабочей текучей среды входит в турбинную часть 3 по существу с одинаковой в окружном направлении скоростью.

Как показано на фиг.1 и 4, цилиндрический канал 32 проходит от внутренней периферии кольцевого канала 31 в сторону оси L вращения и далее в сторону турбинной части 3. Форма цилиндрического канала 32 способствует минимизации падения давления протекающей через него рабочей текучей среды.

Рабочая текучая среда, входящая во впускную спиральную часть 5, попадает в кольцевой канал 31, затем протекает в цилиндрический канал 32 и из него протекает в турбинную часть 3. Из выпускной спиральной части 6 вытекает рабочая текучая среда, которая из турбинной части 3 поступила в цилиндрический канал 32 и далее прошла в кольцевой канал 31.

Фиг.5 и 6 в увеличенном масштабе изображают фрагмент, иллюстрирующий конструкцию показанной на фиг.4 ограничивающей части, размещенной со стороны турбинной части,

Как следует из фиг.4 и 5, ограничивающая часть 22А, размещенная со стороны турбинной части, удерживает спиральный корпус 21 таким образом, что он может, расширяться и сокращаться в радиальном направлении, но ограничивает его смещение вдоль оси L вращения.

Ограничивающая часть 22А, размещенная со стороны турбинной части, снабжена внешним кольцом 41А, которое расположено на внутренней периферической поверхности спирального корпуса 21, и внутренним кольцом 42А, прикрепленным к удерживающей части 35, которая соединена с кожухом 2А.

Внешнее кольцо 41А снабжено первыми выступами 43А, которые проходят радиально внутрь и расположены на равных расстояниях друг от друга в окружном направлении. Расстояния между первыми выступами 43А соответствуют расстояниям между первыми углублениями 45А, которые описаны ниже.

Первые выступы 43А входят в описанные ниже первые пазы 44А с ограничением перемещения спирального корпуса 21 вдоль оси L вращения.

Во внутреннем кольце 42А предусмотрены первые пазы 44А, которые открыты радиально наружу и проходят в окружном направлении, а также первые углубления 45А, которые проходят радиально внутрь и выполнены в одной стенке 46А из двух стенок, расположенных с противоположных сторон спирального корпуса 21. Указанные две стенки ограничивают первый паз 44А.

Первые пазы 44А соответствуют первым выступам 43А. Они ограничивают перемещение спирального корпуса 21 вдоль оси L вращения, но допускают возможность перемещения первых выступов 43А в окружном направлении.

Когда первые выступы 43А вводят в первые пазы 44А или выводят из них, первые выступы 43А перемещают вдоль оси L вращения и пропускают через первые углубления 45А. Количество первых углублений 45А равно количеству первых выступов 43А, они расположены на равных расстояниях друг от друга в окружном направлении. Расстояния между первыми углублениями 45А соответствуют расстояниям между первыми выступами 43А.

При такой конструкции первые выступы 43А можно проводить через первые углубления 45А и перемещать вдоль оси L вращения.

Взаимное положение внешнего кольца 41А и внутреннего кольца 42А, показанное на фиг.5, относится к случаю, когда первые выступы 43А проходят через первые углубления 45А. Взаимное положение внешнего кольца 41А и внутреннего кольца 42А, показанное на фиг.6, относится к случаю, когда первые выступы 43А повернуты в окружном направлении и тем самым ограничивают перемещение спирального корпуса 21 вдоль оси L вращения.

Как показано на фиг.4, ограничивающая часть 22В, размещенная со стороны кожуха, удерживает спиральный корпус 21 таким образом, что он может расширяться и сокращаться в радиальном направлении, но ограничивает его перемещение вдоль оси L вращения.

Ограничивающая часть 22В, размещенная со стороны кожуха, снабжена внешним кольцом 41В, которое расположено на поверхности спирального корпуса 21 напротив кожуха 2А, и внутренним кольцом 42В, прикрепленным к удерживающей части 35, которая соединена с кожухом 2А.

Подобно внешнему кольцу 41А внешнее кольцо 41В снабжено первыми выступами 43В, которые проходят радиально внутрь и расположены на равном расстоянии друг от друга в окружном направлении.

Подобно внутреннему кольцу 42А внутреннее кольцо 42В снабжено первым пазом 44В, который открыт радиально наружу и проходит в окружном направлении, и первым углублением 45В, которое углублено радиально внутрь и выполнено в одной стенке 46В из двух стенок, расположенных с противоположных сторон спирального корпуса 21.

Фиг.7 изображает сечение, иллюстрирующее положения горизонтальной ограничивающей части и вертикальной ограничивающей части, показанных на фиг.2.

Как следует из фиг.7, горизонтальная ограничивающая часть 23А и вертикальная ограничивающая часть 23В удерживают спиральный корпус 21 таким образом, что он может расширяться и сокращаться в радиальном направлении, но ограничивают его перемещение в горизонтальном направлении, перпендикулярном оси L вращения, а также в вертикальном направлении.

Горизонтальная ограничивающая часть 23А расположена на верхнем конце (верхняя сторона на фиг.7) спирального корпуса 21 и ограничивает перемещение спирального корпуса 21 в горизонтальном направлении (боковое направление на фиг.7) относительно кожуха 2А.

Фиг.8 в увеличенном масштабе изображает фрагмент, иллюстрирующий конструкцию показанной на фиг.7 горизонтальной ограничивающей части. Фиг.9 изображает сечение, взятое по линии А-А, иллюстрирующее конструкцию показанной на фиг.7 горизонтальной ограничивающей части.

Как следует из фиг.8 и 9, горизонтальная ограничивающая часть 23А снабжена вторым выступом 51А, проходящим радиально внутрь от кожуха 2А, и опорой 53А, в которой сформировано второе углубление 52А, открытое радиально наружу.

Как показано на фиг.8, второй выступ 51А имеет торец 61А, примыкающий к внешней периферической поверхности кожуха 2А; стержень 62А, проходящий от торца 61А радиально внутрь сквозь кожух 2А; вставную часть 63А, которая образует внутренний конец стержня 62А, направленный радиально, и которая вставлена во второе углубление 52А. Из фиг.9 видно, что вставная часть 63А имеет прямоугольное сечение.

Согласно фиг.8 опора 53А представляет собой прямоугольный параллелепипед, размещенный на спиральном корпусе 21. На боковой поверхности опоры 53А предусмотрено ребро 64, выступающее радиально наружу и проходящее в окружном направлении. Второе углубление 52А выполнено в верхней поверхности опоры 53А, т.е. в поверхности опоры 53А, лежащей напротив кожуха 2А.

Как следует из фиг.9, второе углубление 52А имеет прямоугольную форму, и в него вставлена вставная часть 63А.

Как показано на фиг, 7, вертикальная ограничивающая часть 23В расположена со смещением по диагонали вниз от спирального корпуса 21, например со смещением вниз на фазовый угол примерно в 20º по отношению к горизонтальному направлению. При этом данная вертикальная часть 23В ограничивает перемещение спирального корпуса 21 в вертикальном направлении (вертикальное направление на фиг.7) относительно кожуха 2А.

Указанный фазовый угол не ограничивается 20º, если и при других его значениях предотвращается перемещение в вертикальном направлении.

Фиг.10 в увеличенном масштабе изображает фрагмент, иллюстрирующий конструкцию показанной на фиг.7 вертикальной ограничивающей части.

Из фиг.10 видно, что вертикальная ограничивающая часть 23В содержит второй выступ 51В, проходящий от кожуха 2А радиально внутрь, и опору 53В, в которой предусмотрено второе углубление 52В, открытое радиально наружу.

Поскольку конфигурация вертикальной ограничивающей части 23В идентична конфигурации горизонтальной ограничивающей части 23А, ее описание в данной заявке опущено, хотя изображение этой вертикальной ограничивающей части 23В можно видеть на фиг.10.

Далее поясняется функционирование газовой турбины 1, имеющей вышеописанную конструкцию.

Согласно фиг.1 рабочая текучая среда, нагретая до высокой температуры в высокотемпературной газовой печи, протекает во впускную спиральную часть 5 газовой турбины 1. Затем рабочая текучая среда, поступившая во впускную спиральную часть 5, протекает в кольцевой канал 31 и далее течет в цилиндрический канал 32 по существу с одинаковой в окружном направлении скоростью. Рабочая текучая среда, поступившая в цилиндрический канал 32, проходит в турбинную часть 3 и течет по ней.

Как следует из фиг.1 и 4, роторная лопатка 11 приводится во вращение рабочей текучей средой, протекающей в турбинной части 3, при этом вращательная движущая сила, создаваемая роторной лопаткой 11, передается вращательному валу 4. Затем рабочая текучая среда, температура которой снизилась в результате отдачи усилия вращения турбинной части 3, выпускается из части 3.

Как видно из фиг.1, рабочая текучая среда, выпущенная из турбинной части 3, протекает в цилиндрический канал 32 выпускной спиральной части 6 и протекает в кольцевой канал 31. Рабочая текучая среда, поступившая в кольцевой канал 31, выходит из выпускной спиральной части 6, т.е. из газовой турбины 1, и снова вводится в высокотемпературную газовую печь через соответствующую систему.

Далее описано, каким именно образом происходит удержание впускной спиральной части 5 и выпускной спиральной части 6, которые характеризуются отличительными признаками настоящего изобретения.

Сначала со ссылкой на фиг.4-6 описано то, как спиральный корпус 21 удерживается ограничивающей частью 22А, размещенной со стороны турбинной части, и ограничивающей частью 22В, размещенной со стороны кожуха.

Когда спиральный корпус 21 удерживается удерживающей частью 35, как показано на фиг.4 и 6, первые выступы 43А и 43В размещаются в соответствующих первых пазах 44А и 44В. В этом случае первые выступы 43А и 43В находятся в положениях, в которых они перекрываются стенками 46А и 46В, если смотреть вдоль оси L вращения.

В результате перевода первых выступов 43А и 43В в упомянутые положения ограничивается перемещение спирального корпуса 21 вдоль оси L вращения. Однако вследствие наличия промежутков между внутренними периферическими концами первых выступов 43А и 43В и нижними поверхностями первых пазов 44А и 44В, обеспечивается возможность перемещения первых выступов 43А и 43В в радиальном направлении относительно первых пазов 44А и 44В.

Далее описано то, как согласованы ограничивающая часть 22А, размещенная со стороны турбинной части, и ограничивающая часть 22В, размещенная со стороны кожуха.

Сначала внутреннее кольцо 42А ограничивающей части 22А, размещенной со стороны турбинной части, прикрепляют к удерживающей части 35.

Затем спиральный корпус 21 прикрепляют к удерживающей части 35 посредством ограничивающей части 22А, размещенной со стороны турбинной части.

Более конкретно, первый выступ 43А и первое углубление 45А располагают друг относительно друга, как показано на фиг.5. Иными словами, так, что первый выступ 43А входит в первое углубление 45А, после чего спиральный корпус 21 смещают к турбинной части 3 вдоль оси L вращения.

После вставления первого выступа 43А в первый паз 44А первый выступ 43А перемещают в окружном направлении, в результате чего он поворачивается до положения, в котором перекрывается стенкой 46А, если смотреть вдоль оси L вращения (показано на фиг.6). Соответственно, операция крепления ограничивающей части 22А, размещенной со стороны турбинной части, завершена.

В результате этой операции вращательный вал 4 оказывается пропущенным через выполненный за одно целое спиральный корпус 21, а спиральный корпус 21 удерживается так, что может расширяться и сокращаться в радиальном направлении. В то же время перемещение спирального корпуса 21 вдоль оси L вращения ограничено.

Говоря более подробно, первый выступ 43А вводят в первое углубление 45А и перемещают его вдоль оси L вращения. Таким образом первый выступ 43А располагается в первом пазу 44А, а вал 4 вращения проходит через спиральный корпус 21. Затем первый выступ 43А поворачивают в окружном направлении, в результате чего первый выступ 43А располагается в зоне первого паза 44А, в котором первое углубление 45А не предусмотрено, т.е. в зоне первого паза 44А, в котором две указанные стенки расположены друг против друга. Таким образом, ограничивается перемещение спирального корпуса 21 вдоль оси L вращения.

Далее, внутреннее кольцо 42В ограничивающей части 22В, размещенной со стороны кожуха, вставляют во внешнее кольцо 41В.

Говоря более подробно, первый выступ 43В и первое углубление 45В располагают относительно друг друга как показано на фиг.5, и затем внутреннее кольцо 42В перемещают вдоль оси L вращения в направлении турбинной части 3.

После введения первого выступа 43В в первый паз 44В, внутреннее кольцо 42В перемещают в окружном направлении, поворачивая его в положение, в котором первый выступ 43В и участок 46В стенки перекрывают друг друга, если смотреть вдоль оси L вращения (показано на фиг.6). Соответственно, операция прикрепления ограничивающей части 22В, размещенной со стороны турбинной части, завершена.

Далее со ссылкой на фиг.7-10 описано то, как горизонтальная ограничивающая часть 23А и вертикальная ограничивающая часть 23В удерживают спиральный корпус 21.

Когда спиральный корпус 21 удерживается кожухами 2А и 2С, как показано на фиг.7, 8 и 10, вторые выступы 51А и 51В, прикрепленные к кожухам 2А и 2С, вставлены в соответствующие вторые углубления 52А и 52В, выполненные в спиральном корпусе 21.

Как показано на фиг.8, второй выступ 51А горизонтальной ограничивающей части 23А вставлен во второе углубление 52А. Таким образом, ограничивается перемещение спирального корпуса 21 в горизонтальном направлении. Однако между внутренним радиальным концом второго выступа 51А и нижней поверхностью второго углубления 52А образован зазор, вследствие чего обеспечивается возможность расширения и сокращения спирального корпуса 21 в радиальном направлении.

Благодаря введению второго выступа 51В вертикальной ограничивающей части 23В во второе углубление 52В, как показано на фиг.10, ограничивается перемещение спирального корпуса 21 в вертикальном направлении. Однако поскольку между внутренним радиальным концом второго выступа 51В и нижней поверхностью второго углубления 52В предусмотрен зазор, допускается расширение и сокращение спирального корпуса 21 в радиальном направлении.

Согласно вышеописанной конструкции благодаря выполнению спирального корпуса 21 в виде цельного элемента можно предотвратить просачивание из него рабочей текучей среды наружу, а также проникновение внутрь спирального корпуса 21 внешней текучей среды, вызванное ее всасыванием. Напротив, если спиральный корпус 21 в силу своей конструкции разделен на две части, т.е. верхний кожух и нижний кожух, то существует вероятность просачивания рабочей текучей среды сквозь шов между верхним и нижним кожухами. В случае выполнения спирального корпуса 21 за одно целое указанный шов у него отсутствует, что позволяет полностью исключить вероятность просачивания рабочей текучей среды и повысить надежность газовой турбины 1.

Благодаря выполнению спирального корпуса 21 в виде цельного элемента становится возможным (в отличие от случая, при котором спиральный корпус 21 разделен на две части) спрофилировать цилиндрический канал 32 в форме, которая исключает падение давления внутри указанного канала. Напротив, если спиральный корпус 21 разделен на две части, то в нем необходимо предусмотреть пространство для размещения крепежных элементов, таких как болты, скрепляющие друг с другом верхний и нижний кожухи, а также пространство для выполнения сборки или разборки болтового соединения, поэтому форма цилиндрического канала 32 является ограниченной. Однако если спиральный корпус 21 выполнен в виде цельного элемента, отсутствует необходимость использования крепежных болтов, и, соответственно, на форму канала не накладываются ограничения. Как результат, обеспечивается возможность профилирования такой формы канала, которая вызывает минимальное падение давления. Таким образом можно повысить производительность газовой турбины 1.

Благодаря выполнению спирального корпуса 21 в виде цельного элемента становится возможным (в отличие от случая, при котором спиральный корпус 21 разделен на две части) уменьшить размер спирального корпуса 21. Напротив, если спиральный корпус 21 разделен на две части, то фланцы, используемые для скрепления верхнего и нижнего кожухов друг с другом, выступают из кожухов наружу. Однако в случае спирального корпуса 21, выполненного за одно целое, предусматривать указанные фланцы не обязательно, в силу чего размеры спирального корпуса 21 можно уменьшить и, как следствие, уменьшить размер газовой турбины 1.

Ограничивающая часть 22А, размещенная со стороны турбинной части, ограничивающая часть 22В, размещенная со стороны кожуха, горизонтальная ограничивающая часть 23А и вертикальная ограничивающая часть 23В удерживают спиральный корпус 21 таким образом, что он может расширяться и сокращаться в радиальном направлении. В результате исключается вероятность нарушения соосности спирального корпуса 21, которое может возникнуть в случае ограничения деформации спирального корпуса 21, а также вероятность повреждения спирального корпуса 21 вследствие высокого внутреннего напряжения.

Например, в случае если спиральный корпус 21 фиксирован даже всего в одной точке, неравномерная деформация может привести к нарушению его соосности. Кроме того, наличие всего одной точки фиксации спирального корпуса 21 ограничивает возможности температурной деформации спирального корпуса 21. Как следствие, спиральный корпус 21 может быть поврежден по причине термического напряжения.

Однако если спиральный корпус 21 установлен с возможностью расширения и сокращения в радиальном направлении, температурная деформация спирального корпуса 21 не ограничена. Данное обстоятельство минимизирует вероятности нарушения соосности и термического напряжения спирального корпуса 21, и таким образом повышается надежность газовой турбины 1.

Объем правовой охраны изобретения не ограничивается представленным вариантом его выполнения. Напротив, в представленный вариант могут быть внесены различные изменения, не отклоняющиеся от сущности данного изобретения.

В частности, несмотря на то, что данное изобретение рассмотрено на примере его использования в отношении осевой турбины, оно может быть применено и к другим типам турбин, таким как центробежная турбина и диагональная турбина.

Изобретение также можно применять в отношении машин общего назначения, использующих текучую рабочую среду, например в отношении газовой турбины, в которой в качестве рабочей текучей среды использован воздух, а в качестве источника тепла - энергия сгорания топлива. Также принципы изобретения применимы к паровой турбине, компрессору и насосу. Это значит, что применение изобретения не ограничивает объем его правовой охраны.

Улиточный направляющий аппарат для роторной машины, в частности турбины, содержит кожух и связующую часть. Кожух полностью закрывает зону, окружающую кольцевой канал, проходящий кольцом вокруг оси вращения вращающейся части роторной машины, и цилиндрический канал, проходящий от кольцевого канала в сторону оси вращения и идущий к вращающейся части. Связующая часть удерживает кожух, относительно удерживающей части, с обеспечением возможности его расширения и сокращения в радиальном направлении от оси вращения, проходящей через его центр. Связующая часть содержит выступ, паз и углубление. Выступ предусмотрен на одном из элементов, включающих в себя кожух и удерживающую часть, и проходит в одном направлении вдоль радиальной линии. Паз выполнен в другом из указанных элементов, включающих в себя кожух и удерживающую часть, открыт в другом направлении вдоль указанной радиальной линии и проходит в окружном направлении относительно оси вращения. В этот паз вводится указанный выступ. Углубление представлено вырезом в одной стенке, формирующей паз в одном направлении вдоль указанной радиальной линии. Через углубление проходит выступ за счет его перемещения вдоль оси вращения относительно указанной стенки. Достигается уменьшение размера улиточного направляющего аппарата, предотвращается термическое напряжение и искажение формы кожуха. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 10 ил.

1. Улиточный направляющий аппарат для роторной машины, содержащий:
кожух, который полностью закрывает зону, окружающую кольцевой канал, проходящий кольцом вокруг оси вращения вращающейся части роторной машины, и цилиндрический канал, проходящий от кольцевого канала в сторону оси вращения и идущий к вращающейся части;
и связующую часть, которая удерживает кожух, относительно удерживающей части, с обеспечением возможности его расширения и сокращения в радиальном направлении от оси вращения, проходящей через его центр,
причем связующая часть содержит:
первый выступ, который предусмотрен на одном из элементов, включающих в себя кожух и удерживающую часть, и проходит в одном направлении вдоль радиальной линии;
первый паз, который выполнен в другом из указанных элементов, включающих в себя кожух и удерживающую часть, открыт в другом направлении вдоль указанной радиальной линии и проходит в окружном направлении относительно оси вращения, причем в этот первый паз вводится указанный первый выступ; и первое углубление, которое представлено вырезом в одной стенке, формирующей паз в одном направлении вдоль указанной радиальной линии, и через которое проходит первый выступ за счет его перемещения вдоль оси вращения относительно указанной стенки.

2. Аппарат по п.1, в котором связующая часть для кожуха содержит:
второй выступ, который предусмотрен на одном из элементов,
включающих в себя кожух и удерживающую часть, и проходит в одном направлении вдоль радиальной линии; и второе углубление, выполненное в другом из указанных элементов, включающих в себя кожух и удерживающую часть, и открытое в другом направлении вдоль указанной радиальной линии, причем в это второе углубление вводится указанный второй выступ.

3. Турбина, содержащая;
улиточный направляющий аппарат по п.1 или 2; и вращающуюся часть, в которую втекает и из которой вытекает рабочая текучая среда, протекающая между вращающейся частью и улиточным направляющим аппаратом, и которая преобразует воздействие подаваемой рабочей текучей среды во вращательную движущую силу.