ТУРБИНА Российский патент 2013 года по МПК F01D25/24 

Область техники

Данное изобретение относится к роторной машине, предназначенной для использования с паровой турбиной, газовой турбиной и другими подобными устройствами.

Уровень техники

Как правило, кожух паровой или газовой турбины разделен на два кожуха - верхний и нижний, в пределах внутреннего пространства которых расположен роторный вал. Оба кожуха соединяются друг с другом по горизонтальной плоскости с использованием болтов (см., например, японскую заявку на полезную модель, в отношении которой не проводилась экспертиза; публикация №S60-195908).

В альтернативном случае, относящемся к так называемой «горшкообразной турбине», кожух турбины выполнен в виде единого элемента, при этом в торцевое отверстие кожуха некоторой своей частью вставлен роторный вал, и это отверстие герметично закрыто резьбовым кольцом, взаимодействующим с резьбовым участком, предусмотренным на внутренней периферической поверхности кожуха (см., например, японскую заявку на полезную модель, в отношении которой не проводилась экспертиза; публикация №S59-213907).

Назначение вышеописанной конструкции кожуха заключается в обеспечении стойкости всей установки к действию рабочей текучей среды, имеющей высокую температуру и высокое давление, а также в предотвращении утечки рабочей текучей среды.

В упомянутой выше конструкции, согласно которой кожух разделен горизонтальной плоскостью на две части, верхний и нижний кожухи по всему контуру своих горизонтальных поверхностей снабжены радиально выступающими соединительными фланцами. В результате, возникает проблема увеличения размера собранного кожуха.

Однако увеличение размера кожуха сопряжено с дополнительными проблемами, заключающимися в увеличении массы турбины в целом, а также в повышении расхода материалов и производственных затрат.

Известно, что при утечки рабочей текучей среды через соединительную поверхность, расположенную между верхним и нижним кожухами, производительность турбины ухудшается. Однако, если кожух разделен на две части горизонтальной плоскостью, соединительная поверхность проходит по всей периферии горизонтальной поверхности кожуха и, соответственно, увеличивается зона возможной утечки рабочей среды. В случае вышеописанной конструкции, поскольку роторный вал проходит через кожух в зоне его соединительной поверхности, вероятность утечки рабочей текучей среды увеличивается.

В конструкции горшкообразного кожуха зона потенциальной утечки рабочей текучей среды уменьшена по сравнению с кожухом, снабженным по всему контуру соединительными фланцами. Однако вышеуказанная конструкция с герметично закрытым кожухом может использоваться лишь для сравнительно небольшой турбины, тогда как в случае крупной турбины подобную конструкцию приходится заменять фланцевой конструкцией. А в этом случае появляются проблемы, связанные с выступанием фланца и соединительного болта в осевом направлении, поскольку увеличивается общая длина кожуха, и соответственно, возрастает общий размер роторной машины.

Например, если в турбине используется рабочая текучая среда, содержащая некоторое вещество, требующее осторожного с ним обращения, не допускается утечка рабочей текучей среды в атмосферу. Соответственно, приходиться дополнительно закрывать кожух резервуаром высокого давления (наружный кожух), при этом в промежуток между указанным резервуаром высокого давления и кожухом вводится чистая текучая среда, не загрязненная указанным веществом, причем вводится она под более высоким давлением, чем рабочая текучая среда, что позволяет предотвратить утечку наружу текучей среды из данного кожуха (см. фиг.5).

Фиг.5 иллюстрирует конструкцию, согласно которой вышеописанный кожух 101 корпуса турбины размещен в резервуаре 200 высокого давления (наружный кожух). В кожухе 101 размещены различные компоненты турбины (не показаны). Роторный вал 4 проходит через кожух 101 и резервуар 200 высокого давления. В промежуток 201 между кожухом 101 и резервуаром 200 введена чистая текучая среда, которая не загрязнена упомянутым выше веществом, и давление которой превышает давление рабочей текучей среды в турбине. В результате предотвращается утечка наружу среды, находящейся в кожухе 101. Однако при использовании вышеописанной конструкции вследствие увеличения размеров кожуха 101 также увеличиваются размеры резервуара 200 высокого давления.

Если внутреннее пространство вышеупомянутой турбины загрязнено неким веществом, эту турбину, в отличие от обычной газовой или паровой турбины, нельзя открывать и обследовать, согласно требованиям техники безопасности, непосредственно в месте ее установки. Следовательно, открывать и обследовать такую турбину необходимо после транспортировки ее кожухов из турбинного зала в специальную зону технического обслуживания. В подобном случае возникает еще одна проблема, заключающаяся в том, что из-за увеличения размеров кожуха становится сложнее обеспечить надлежащую прочность несущих конструкций турбинного зала; кроме того, возрастают требования к грузоподъемности крана, осуществляющего подъем кожуха.

В случае вышеупомянутой горшкообразной конструкции кожуха, используемый в ней лопаточный венец, несущий лопатки турбинного статора, удерживается по существу в зоне торцевого отверстия. Как следствие, лопаточный венец удерживается консольным образом. Однако, если лопаточный венец удерживается в турбине (особенно крупной) консольным образом, выступающий край лопаточного венца выполняют более длинным, и соответственно, появляются проблемы, связанные с недостаточно прочным удержанием центральной части, а также увеличением влияния разницы в тепловом осевом удлинении между вращающейся и неподвижной частями.

Сущность изобретения

Настоящее изобретение предложено для решения вышеуказанных проблем. Его задача заключается в создании роторной машины, отличающейся уменьшенными размерами и повышенными показателями надежности и производительности.

Поставленная задача решена благодаря применению следующих мер.

В соответствии с одним из аспектов данного изобретения, предложенная конструкция кожуха турбины предусматривает первый кожух и второй кожух, образованные путем разделения по существу цилиндрического кожуха, заключающего в своем внутреннем пространстве роторный вал с установленными на нем роторными лопатками, на два кожуха по существу посередине осевой линии роторного вала, при этом у отверстий первого кожуха и второго кожуха выполнены первый соединительный фланец и второй соединительный фланец, соответственно, причем также имеется третий соединительный фланец, заключающийся внутри указанного кожуха, этот третий соединительный фланец расположен по существу посередине осевой линии по существу цилиндрического лопастного венца, удерживающего статорные лопатки и окружающего роторный вал, и удерживает собой указанный лопаточный венец, при этом первый кожух, второй кожух и лопаточный венец собраны друг с другом с размещением указанного третьего соединительного фланца между первым и вторым соединительными фланцами.

В соответствии с вышеуказанным аспектом, кожух разделен на два кожуха в осевом направлении, например, поверхностью разделения, пересекающей роторный вал под прямым углом. Благодаря этому данный кожух можно уменьшить в размере по сравнению со случаем разделения кожуха на две части горизонтальной плоскостью, например плоскостью разделения, проходящей вдоль роторного вала.

Более конкретно, если кожух разделен на два кожуха горизонтальной плоскостью, то соединительные фланцы, используемые для прикрепления разделенных кожухов друг к другу, выступают наружу по всей периферии кожуха. При разделении обычной паровой или газовой турбины на две части вертикальной плоскостью, перпендикулярной роторному валу, площадь поперечного сечения кожуха уменьшается по сравнению с площадью горизонтального сечения кожуха, разделенного на две части горизонтальной плоскостью. Таким образом, в кожухе, который разделен в осевом направлении на две части (первый кожух и второй кожух), выступающая область соединительных фланцев может быть уменьшена по сравнению с кожухом, разделенным на две части горизонтальной плоскостью. Это значит, что предложенная конструкция позволяет уменьшить размер кожуха.

В соответствии с вышеуказанным аспектом, указанный третий соединительный фланец, проходящий от лопаточного венца в направлении, пересекающемся с осевым направлением (предпочтительно в вертикальном направлении), вставляется - при сборке друг с другом первого кожуха, второго кожуха и лопаточного венца - в промежуток между первым соединительным фланцем первого кожуха и вторым соединительным фланцем второго кожуха, которые разделены в осевом направлении. При такой конструкции может быть уменьшен выступающий край лопаточного венца.

Более конкретно, за счет удержания лопаточного венца относительно кожуха посредством указанного третьего соединительного фланца, расположенного по существу посередине осевой линии лопаточного венца, можно уменьшить выступающий край лопаточного венца по сравнению с горшкообразной конструкцией, предложенной в японской патентной заявке, в отношении которой не проводилась экспертиза; публикация №S59-213907. При этой конструкции улучшается точность удержания центральной части лопаточного венца относительно роторного вала. Кроме того, поскольку лопаточный венец удерживается по существу в центральной части в осевом направлении, то тепловое удлинение лопаточного венца в осевом направлении может распределяться одинаково.

В предпочтительном случае внутренняя периферическая сторона соединительного элемента, расположенного между лопастным кольцом и кожухом, выдается от стороны высокого давления к стороне низкого давления рабочей текучей среды. Другими словами, в предпочтительном случае соединительный элемент является конусообразным и расположен между лопастным кольцом и третьим соединительным фланцем, при этом он проходит под углом от стороны высокого давления к стороне низкого давления рабочей текучей среды, протекающей между роторными и статорными лопатками радиально снаружи относительно роторного вала.

Согласно такой конфигурации улучшается прочность соединительного элемента, который действует в качестве торцевой пластины резервуара высокого давления.

В соответствии с вышеуказанным аспектом кожух разделен на две части в осевом направлении. В этом случае удается уменьшить утечку рабочей текучей среды наружу из кожуха и поступление в кожух другой текучей среды по сравнению со случаем, когда кожух разделен на две части горизонтальной плоскостью. То есть, благодаря отсутствию соединительной поверхности фланца в зоне прохождения через корпус роторного вала уменьшается возможность утечки рабочей текучей среды наружу из кожуха и поступление другой текучей среды в данный кожух.

Согласно другому варианту изобретения, внешняя периферическая поверхность третьего соединительного фланца, вставленного между первым и вторым соединительными фланцами первого и второго кожухов, разделенных в осевом направлении, закрыта этими первым и вторым соединительными фланцами. Другими словами, первый и второй соединительные фланцы могут непосредственно соединяться друг с другом радиально снаружи относительно роторного вала. Кроме того, они могут соединяться радиально внутри с третьим соединительным фланцем, вставленным между ними.

В соответствии с этой конструкцией на наружной периферической поверхности кожуха имеется только одна соединительная фланцевая поверхность, следовательно, область соединительной поверхности является уменьшенной. Таким образом, дополнительно уменьшаются утечка рабочей текучей среды наружу из кожуха и поступление в кожух другой текучей среды.

Согласно другому предпочтительному варианту изобретения, снаружи кожуха предусмотрен резервуар высокого давления, заключающий внутри себя указанный кожух, при этом промежуток между кожухом и резервуаром высокого давления заполнен текучей средой, давление которой превышает давление рабочей текучей среды, протекающей между роторными и статорными лопатками.

В соответствии с вышеуказанным аспектом, загрузка в промежуток между кожухом и резервуаром высокого давления текучей среды, давление которой превышает давление рабочей текучей среды, позволяет предотвратить прохождение рабочей текучей среды в данный промежуток. Таким образом, предотвращается выход рабочей текучей среды наружу из кожуха.

В предложенной роторной машине кожух разделен на две части в осевом направлении, что позволяет уменьшить размеры кожуха и резервуара высокого давления (наружного кожуха), окружающего кожух, уменьшить утечку рабочей текучей среды наружу из кожуха и поступление в кожух другой текучей среды, а также повысить надежность и производительность роторной машины.

Кроме того, улучшается точность удержания центральной части лопаточного венца относительно роторного вала, а также надежность роторной машины.

Краткое описание чертежей

Фиг.1 схематически иллюстрирует конфигурацию всей газовой турбины, соответствующей первому варианту изобретения;

фиг.2А сверху схематически иллюстрирует конструкцию кожуха, состоящего из двух расположенных по оси частей;

фиг.2 В по оси сбоку схематически иллюстрирует конструкцию кожуха, состоящего из двух расположенных по оси частей;

фиг.3А сверху схематически иллюстрирует конструкцию кожуха, состоящего из двух горизонтально расположенных частей;

фиг.3В по оси сбоку схематически иллюстрирует конструкцию кожуха, состоящего из двух горизонтально расположенных частей;

фиг.4 схематически иллюстрирует конфигурацию всей газовой турбины, соответствующей второму варианту данного изобретения;

фиг.5 схематически иллюстрирует конфигурацию, при которой кожух газовой турбины размещен в резервуаре высокого давления.

Описание предпочтительных вариантов изобретения

Первый вариант выполнения

Далее со ссылкой на фиг.1-5 описаны кожух для газовой турбины, а также газовая турбина, содержащая подобный кожух, выполненные согласно принципам настоящего изобретения.

Фиг.1 схематически иллюстрирует конфигурацию всей газовой турбины, соответствующей первому варианту изобретения.

Как следует из фиг.1, газовая турбина (роторная машина) 100 содержит кожух 101, определяющий ее наружную форму; лопаточный венец 3, несущий на своей внутренней периферической поверхности лопатки 10 турбинного статора; роторный вал 4, в который вставлены лопатки 11 турбинного ротора; впускную спиралеобразную часть 5, обеспечивающую подвод рабочей текучей среды к первой ступени лопаток 10 турбинного статора, и выпускную спиралеобразную часть 6, в которую протекает рабочая текучая среда, выпускаемая из последней ступени лопаток 11 турбинного ротора.

В газовой турбине 100 рабочая текучая среда ускоряется лопатками 10 статора и оказывает гидродинамическое воздействие на лопатки 11 ротора, при этом тепловая энергия рабочей текучей среды преобразуется в механическую энергию вращения. Роторный вал 4 приводится во вращение и обеспечивает вследствие этого выработку электроэнергии. Обычно в турбине используется множество лопаток 10 статора и лопаток 11 ротора.

Как следует из фиг.1, наружная форма газовой турбины 100 определяется кожухом 101. В этом кожухе 101 размещены лопаточный венец 3, роторный вал 4, впускная спиралеобразная часть 5 и выпускная спиралеобразная часть 6. Кожух 101 по существу по середине продольной линии роторного вала 4 разделен на две части, а именно: кожух 1 высокого давления (первый кожух) и кожух 2 низкого давления (второй кожух).

Кожухи 1 и 2 являются по существу цилиндрическим элементами, один торец которых закрыт. Говоря другими словами, кожухи 1 и 2 представляют собой цилиндрические элементы, снабженные дном, т.е. так называемые горшкообразные элементы. На внешних периферических участках открытых торцов кожухов 1 и 2 предусмотрены соответственные фланцы 1А и 2А. Открытые торцы кожухов 1 и 2 введены в стык друг с другом, при этом кожухи 1, 2 прикреплены друг к другу при помощи фланца ЗА лопаточного венца 3, размещенного между фланцами 1А и 2А (венец 3 более детально рассмотрен ниже).

В закрытых торцах кожухов 1 и 2 выполнено сквозное отверстие 7, в которое вставлен роторный вал 4. В цилиндрических поверхностях кожухов 1 и 2 выполнено отверстие 8, в которое вставлена труба, обеспечивающая втекание и вытекание рабочей текучей среды.

Как показано на фиг.1, лопаточный венец 3 окружает роторный вал 4, образует вместе с кожухами 1 и 2 газовую турбину 100 и удерживает на себе лопатки 10 турбинного статора.

Лопаточный венец 3 содержит: по существу цилиндрический элемент, проходящий в аксиальном направлении и окружающий ось L вращения; фланец 3А, являющийся самой дальней в радиальном направлении частью; и по существу конусообразный соединительный элемент 3В, который удерживает указанный по существу цилиндрический элемент лопаточного венца посредством фланца 3А, вставленного между фланцами 1А и 2А. Лопатки 10 турбинного статора установлены на внутренней периферической поверхности лопаточного венца 3. Фланец 3А расположен по существу по середине осевой длины лопаточного венца 3.

Лопатки 11 турбинного ротора вставлены в роторный вал 4, как показано на фиг.1. Они обдуваются рабочей текучей средой, ускоренной лопатками 10 статора, в результате чего роторный вал 4 приводится во вращение относительно оси L. Как правило, лопатки 10 статора и лопатки 11 ротора размещены с чередованием, однако можно применять и другие известные конфигурации - данное обстоятельство не ограничивает объем правовой охраны изобретения.

Как показано на фиг.1, рабочая текучая среда проходит через впускную спиралеобразную часть 5 и выпускную спиралеобразную часть 6. Впускная спиралеобразная часть 5 подводит рабочую текучую среду к первой ступени лопаток 10 турбинного статора, и впоследствии эта текучая среда выходит из последней ступени лопаток 11 турбинного ротора в выпускную спиралеобразную часть 6.

Далее приведено описание работы газовой турбины 100, имеющей вышерассмотренную конфигурацию.

Как следует из фиг.1, рабочая текучая среда, нагретая до высокой температуры в высокотемпературной газовой печи, проходит во впускную спиралеобразную часть 5 газовой турбины 100. Данная рабочая среда, прошедшая во впускную спиралеобразную часть 5, поступает в кольцевой канал 31 и затем протекает в цилиндрический канал 32 с по существу постоянной скоростью в окружном направлении. Рабочая текучая среда, поступившая в цилиндрический канал 32, течет к первой ступени лопаток 10 турбинного статора.

Как показано на фиг.1, лопатки 11 турбинного ротора приводятся во вращение проходящей рабочей средой, при этом усилие вращения, принимаемое лопатками 11 ротора, передается роторному валу 4. Затем данная рабочая текучая среда, температура которой снизилась в результате отдачи усилия вращения лопаткам 11 ротора, выпускается из последней ступени лопаток 11 турбинного ротора.

Выпущенная из последней ступени лопаток 11 ротора рабочая текучая среда поступает в цилиндрический канал 32 выпускной спиралеобразной части 6 (показана на фиг.1) и проходит к кольцевому каналу 31. Поступившая в кольцевой канал 31 рабочая текучая среда выпускается из выпускной спиралеобразной части 6, т.е. из газовой турбины 100, и снова вводится в высокотемпературную печь через соответствующую систему.

В соответствии с вышеуказанной конфигурацией, если кожух 101 состоит из двух частей, разделенных в осевом направлении, размер кожуха 101 можно уменьшить по сравнению с кожухом, разделенным на две части горизонтальной плоскостью. Более конкретно, фланцы 1А и 1В, используемые для скрепления разделенных кожухов 1 и 2 друг с другом, выступают в радиальном направлении от периферической поверхности кожуха 101. Однако поскольку площадь вертикального по оси поперечного сечения меньше, чем площадь горизонтального поперечного сечения, протяженность выступающих фланцев может быть уменьшена в кожухе, который разделен на две части в осевом направлении, по сравнению с конфигурацией, в которой кожух разделен на две части горизонтальной плоскостью.

Фиг.2А, 2В, 3А и 3В схематически иллюстрируют вышеописанные конструкции.

Фиг.2А и 2В иллюстрируют конструкцию кожуха газовой турбины, состоящего из двух расположенных по оси частей, посредством, соответственно, вида сверху и вида сбоку в осевом направлении. Заштрихованные участки 1А и 1В обозначают соединительные фланцы, предусмотренные на кожухах 1 и 2, разделенных в осевом направлении. Соединительные фланцы отходят от кожухов 1 и 2 в радиальном направлении. Полная длина кожуха 101 определена как L1, а диаметр кожуха 101 определен как D1. У стандартной газовой турбины величина L1 превышает величину D1. В данном случае снаружи кожухов 1 и 2 предусмотрен цилиндрический резервуар высокого давления, очертания которого показаны штрихпунктирной линией 200. Длина этого резервуара обозначена как L2, а диаметр как D2.

Фиг.3А и 3В иллюстрируют конструкцию кожуха газовой турбины, разделенного на две части горизонтальной плоскостью, посредством, соответственно, вида сверху и вида сбоку в осевом направлении. Заштрихованные участки 111А и 111В обозначают соединительные фланцы, предусмотренные, соответственно, на кожухе 111, расположенном с верхней стороны (верхний кожух), и кожухе 112, расположенном с нижней стороны (нижний кожух) в общем кожухе, разделенном горизонтальной плоскостью. Указанные соединительные фланцы выступают за пределы кожухов 111 и 112 в радиальном и осевом направлении и проходят вокруг оси L вращения. Полная длина кожуха 101 обозначена как L1, а диаметр кожуха 101 как D1. Для газовых турбин одинаковой формы величины L1 и D1, относящиеся к случаю, когда кожух разделен на две части в осевом направлении (конфигурация по данному изобретению), и соответствующие величины для случая, когда кожух разделен на две части горизонтальной плоскостью, являются одинаковыми. Снаружи кожухов 111 и 112 может быть предусмотрен цилиндрический резервуар высокого давления, очертания которого показаны штрихпунктирной линией 210. Длина этого резервуара определена как L3, а диаметр как D3.

Из чертежей ясно видно, что заштрихованный участок конфигурации, состоящей из двух разделенных по оси частей (т.е. конфигурации по данному изобретению, показанной на фиг.2А и 2В), меньше заштрихованного участка конфигурации, состоящей из двух разделенных по горизонтали частей (т.е. обычной конфигурации, показанной на фиг.3А и 3В). Это значит, что в случае изобретения область выступающих частей фланцев является уменьшенной.

Кроме того, если снаружи кожуха 101 предусмотрен резервуар высокого давления, а диаметр D2 конфигурации, состоящей из двух разделенных по оси частей, равен диаметру D3 конфигурации, состоящей из двух разделенных по горизонтали частей, то длина L2 конфигурации, состоящей из двух разделенных по оси частей, может быть уменьшена по сравнению с длиной L3 конфигурации, состоящей из двух разделенных по горизонтали частей, за счет использования ширины выступающих частей фланцев.

Таким образом, благодаря предложенной конфигурации становится возможным уменьшить размеры кожуха 101, а также снизить затраты материала, производственные издержки и массу всей газовой турбины 100. Соответственно, облегчается транспортировка газовой турбины 100 в целях проведения ее обследования или в других целях, а также расширяются возможности технического обслуживания. В случае, когда снаружи газовой турбины 100 предусмотрен резервуар 200 высокого давления, также становится возможным уменьшить размеры газовой турбины, снизить затраты материала, производственные издержки и размеры турбинного зала. Использование в газовой турбине конфигурации, состоящей из двух разделенных по оси частей, приводит к уменьшению размера кожуха 101, поскольку длина L1 превышает диаметр D1, как изложено выше.

В соответствии с вышеуказанной конфигурацией, кожухи 1 и 2 и лопаточный венец 3 соединены друг с другом за счет размещения фланца 3А лопаточного венца 3 между соединительными фланцами 1А и 2А кожухов 1 и 2. При этом может быть уменьшена выступающая часть лопаточного венца 3. Более конкретно, если лопаточный венец 3 удерживается по существу в средней части кожуха, проходя вдоль его осевой линии, то выступающая часть лопаточного венца может быть уменьшена по сравнению со случаем горшкообразной конструкции. При предложенной конфигурации улучшается точность центровки лопаточного венца 3 относительно роторного вала 4. Кроме того, поскольку лопаточный венец 3 удерживается по существу в средней части, проходя вдоль осевой линии, аксиальное тепловое растяжение лопаточного венца 3 происходит равномерно, следовательно, повышается надежность газовой турбины 100.

В соответствии с вышеуказанной конфигурацией, соединительный элемент 3В лопаточного венца 3 действует в качестве торцевой пластины в резервуаре высокого давления. Зона 12, ограниченная кожухом 1 и лопастным кольцом 3, находится в месте впуска рабочей текучей среды, а зона 13, ограниченная кожухом 2 и лопастным кольцом 3, находится в месте выпуска рабочей текучей среды. Таким образом, давление в зоне 12 превышает давление в зоне 13. Соответственно, если внутренняя периферическая поверхность соединительного элемента 3 вдается в радиальном направлении из зоны 12 высокого давления в зону 13 низкого давления, то возможность соединительного элемента 3В противостоять напору повышается.

Несмотря на то, что в данном варианте изобретения соединительный элемент 3В представлен по существу конусообразным элементом, он может иметь криволинейную поверхность, поскольку применяется в качестве торцевой пластины. Если же перепад давления между зонами 12 и 13 таков, что допускается использовать соединительный элемент 3В со сравнительно малой прочностью, этот соединительный элемент 3В может представлять собой плоскую пластину, причем к форме этой пластины не предъявляются какие-либо особые ограничения.

В соответствии с вышеуказанной конфигурацией, если кожух 101 разделен на две части в осевом направлении, то утечка рабочей текучей среды наружу и поступление в кожух другой текучей среды, входящей снаружи, могут быть уменьшены по сравнению с конфигурацией, состоящей из двух разделенных по горизонтали частей. Более конкретно, утечка рабочей текучей среды наружу из кожуха и приток другой текучей среды в кожух уменьшаются в еще большей степени, поскольку в данном случае отсутствует соединительная фланцевая поверхность в зоне прохождения через корпус роторного вала.

Согласно вышеуказанной конфигурации, за счет разделения кожуха 101 на две части в осевом направлении, нагрузка внутреннего давления, оказываемая давлением рабочей текучей среды на соединительные фланцы разделенной поверхности, может быть выровнена и уменьшена по сравнению со случаем кожуха, разделенного на две части горизонтальной плоскостью.

Если кожух разделен на две части горизонтальной плоскостью, то поскольку в данном кожухе имеется зона высокого давления и зона низкого давления, как изложено выше, нагрузка внутреннего давления, оказываемая на соединительные фланцы, изменяется в зависимости от места действия. Следовательно, необходимо учитывать подобное изменение при расчете прочности болтов, обеспечивающих скрепление фланцев, или прочность самих фланцев. Если же кожух 101 разделен на две части в осевом направлении, то поскольку прикладываемая к фланцам 1А и 2А нагрузка становится постоянной в окружном направлении, расчет прочности фланцев и крепежных болтов упрощается. Как схематически показано на фиг.2А, 2В, 3А и 3В, прикладываемая к фланцам нагрузка, обусловленная внутренним давлением, также может быть уменьшена.

В случае конфигурации, состоящей из двух частей, разделенных по оси, расчет воспринимающей давление площади А1 соединительного фланцевого участка выполняют по существу на основе следующего уравнения (1):

,

где, π является константой окружности.

В случае конфигурации, состоящей из двух частей, разделенных по горизонтали, расчет воспринимающей давление площади А2 соединительного фланцевого участка выполняют по существу на основе следующего уравнения (2):

.

в этом случае, поскольку π≈3, 14, а L1>D1, определить, что А1 меньше А2 можно из следующего уравнения (3):

.

Если давление, прикладываемое к поверхности раздела в конфигурации, состоящей из двух разделенных по оси частей, и в конфигурации, состоящей из двух разделенных по горизонтали частей, получено усреднением давлений области высокого давления и области низкого давления, которые равны друг другу, то нагрузка внутреннего давления, действующая на фланцы, определяется по воспринимаемой давление площади. Это значит, что в случае конфигурации, состоящей из двух разделенных по оси частей, нагрузка внутреннего давления будет меньше.

Второй вариант выполнения

Фиг.4 схематически иллюстрирует конфигурацию всей газовой турбины, соответствующей второму варианту изобретения. Конфигурация газовой турбины, описанной в данном примере, в целом аналогична конфигурации, рассмотренной в первом примере, но в данном случае удерживающая конструкция третьего соединительного фланца отличается от конструкции подобного фланца, раскрытого в первом примере. Следовательно, в данном примере со ссылкой на фиг.4 приведено описание только удерживающей конструкции третьего соединительного фланца, тогда как описание других компонентов не повторяется. Компоненты, аналогичные компонентам первого примера, обозначены теми же номерами позиций; их описание также не повторяется.

Согласно второму примеру, проиллюстрированному на фиг.4, внешняя периферическая поверхность фланца ЗА, размещаемая между фланцами 1А и 1В кожухов 1 и 2, полученных путем разделения кожуха 101 газовой турбины 300 на две части по оси, встроена между фланцами 1А и 1В.

В первом примере фланец 3А размещен между фланцами 1А и 2А кожухов 1 и 2. Соответственно, на внешней периферии кожуха 101 имеются две соединительные фланцевые поверхности. Однако в соответствии с конфигурацией по второму примеру, поскольку внешняя периферическая часть 3С фланца 3А встроена между фланцами 1А и 2А, фланцы 1А и 2А непосредственно соединяются друг с другом на внешней периферии кожуха 101. Согласно такой конфигурации, количество мест соединения равно одному, а периферическая протяженность указанной соединительной поверхности может быть уменьшена по существу наполовину. Соответственно, становится возможным еще более снизить утечку рабочей текучей среды наружу из кожуха и поступление в данный кожух другой текучей среды.

Согласно вышеуказанному, периферическая длина поперечного сечения соединительного фланцевого участка в конфигурации, состоящей из двух частей, разделенных по оси, меньше чем в конфигурации, состоящей из двух частей, разделенных по горизонтали. Если кожух 101 разделен на две части в осевом направлении, участок соединительной поверхности может быть уменьшен по сравнению со случаем, когда кожух разделен на две части горизонтальной плоскостью. Соответственно, уменьшается утечка рабочей текучей среды наружу из кожуха и поступление в данный кожух другой текучей среды.

Фиг.2А, 2В, 3А и 3В схематически иллюстрируют вышеуказанную конфигурацию.

Как написано ранее в отношении первого примера, фиг.2А и 2В иллюстрируют конструкцию кожуха газовой турбины, состоящего из двух расположенных по оси частей, соответственно, на виде сверху и виде сбоку в осевом направлении. Заштрихованные участки 1А и 1В обозначают соединительные фланцы, предусмотренные на кожухах 1 и 2, разделенных в осевом направлении. У обычной газовой турбины длина L1 кожуха 101 превышает диаметр D1. Периферическая длина L10 поперечного сечения соединительного фланцевого участка по существу вычисляется следующим уравнением (4):

,

где, π является константой окружности.

Фиг.3А и 3В иллюстрируют конструкцию кожуха газовой турбины, разделенного на две части горизонтальной плоскостью, соответственно, на виде сверху и виде сбоку в осевом направлении. Заштрихованные участки 111А и 111В обозначают соединительные фланцы, предусмотренные, соответственно, на кожухе 111 и кожухе 112, разделенных горизонтальной плоскостью. По аналогии с вышесказанным, если полная длина кожуха 101 определена как L1, а диаметр кожуха определен как D1, то периферическая длина L11 поперечного сечения соединительного фланцевого участка по существу рассчитывается по следующему уравнению (5):

.

Поскольку π≈3,14, a L1>D1, можно найти, что L10 меньше L11 из следующего уравнения (6)

.

Соответственно, периферическая длина поперечного сечения соединительного фланцевого участка в конфигурации, состоящей из двух частей, разделенных по оси, меньше чем в конфигурации, состоящей из двух частей, разделенных по горизонтали. Если кожух 101 разделен на две части в осевом направлении, участок соединительной поверхности может быть уменьшен по сравнению со случаем, когда кожух разделен на две части горизонтальной плоскостью. За счет этого можно дополнительно уменьшить утечку рабочей текучей среды наружу из кожуха и поступление в данный кожух другой текучей среды, и соответственно, можно повысить надежность газовой турбины 300.

Объем правовой охраны изобретения не ограничивается представленными вариантами его выполнения. Напротив, в представленные варианты 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 не ограничивается только случаем осевых турбин и может быть применено к другим типам турбин, таким как центробежная турбина и диагональная турбина.

Кроме того, данное изобретение можно без особых ограничений применять в отношении роторной машины газовой турбины другого типа, в которой в качестве рабочей текучей среды используется воздух, а в качестве источника тепла используется энергия сгорания топлива, или также в отношении паровой турбины, компрессора или насоса.

Объектом настоящего изобретения является турбина, в которой предусмотрены первый кожух и второй кожух, образованные путем разделения по существу цилиндрического кожуха на два кожуха по существу посередине роторного вала. Цилиндрический кожух заключает в своем внутреннем пространстве роторный вал с установленными на нем роторными лопатками. Первый кожух и второй кожух имеют один открытый торец и один закрытый торец. У открытых торцов первого кожуха и второго кожуха выполнены первый соединительный фланец и второй соединительный фланец. В закрытых торцах первого кожуха и второго кожуха выполнено сквозное отверстие для установки роторного вала. Также имеется третий соединительный фланец, расположенный по существу посередине по существу цилиндрического лопастного венца, удерживающего статорные лопатки и окружающего роторный вал. Третий фланец удерживает собой указанный лопаточный венец. Первый кожух, второй кожух и лопаточный венец собраны друг с другом с размещением указанного третьего соединительного фланца между первым и вторым соединительными фланцами. Роторный вал вставлен в указанные сквозные отверстия, выполненные в закрытых торцах первого кожуха и второго кожуха. Изобретение позволяет уменьшить размер турбины и повысить ее надежность. 3 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Турбина, в которой
предусмотрены первый кожух и второй кожух, образованные путем разделения, по существу, цилиндрического кожуха, заключающего в своем внутреннем пространстве роторный вал с установленными на нем роторными лопатками, на два кожуха, по существу, посередине роторного вала,
причем и первый кожух, и второй кожух имеют один открытый торец и один закрытый торец,
при этом у открытых торцов первого кожуха и второго кожуха выполнены первый соединительный фланец и второй соединительный фланец соответственно,
при этом в закрытых торцах первого кожуха и второго кожуха выполнено сквозное отверстие для установки роторного вала,
причем также имеется третий соединительный фланец, этот третий соединительный фланец расположен, по существу, посередине, по существу, цилиндрического лопастного венца, удерживающего статорные лопатки и окружающего роторный вал, и удерживает собой указанный лопаточный венец, при этом первый кожух, второй кожух и лопаточный венец собраны друг с другом с размещением указанного третьего соединительного фланца между первым и вторым соединительными фланцами,
причем роторный вал вставлен в указанные сквозные отверстия, выполненные в закрытых торцах первого кожуха и второго кожуха.

2. Турбина по п.1, в которой
лопаточный венец удерживается относительно третьего соединительного фланца, по существу, конусообразным соединительным элементом, при этом внутренняя периферическая поверхность этого соединительного элемента со стороны лопаточного венца выдается от стороны высокого давления к стороне низкого давления в рабочей текучей среде, протекающей между роторными и статорными лопатками.

3. Турбина по п.1, в которой внешняя периферическая часть третьего соединительного фланца окружена первым и вторым соединительными фланцами.

4. Турбина по п.1, в которой
снаружи цилиндрического кожуха предусмотрен резервуар высокого давления, заключающий внутри себя указанный цилиндрический кожух, при этом промежуток между указанным кожухом и резервуаром высокого давления заполнен текучей средой, давление которой превышает давление рабочей текучей среды, протекающей между роторными и статорными лопатками.