УСОВЕРШЕНСТВОВАННАЯ ТУРБИНА ДЛЯ РАСШИРЕНИЯ ГАЗА/ПАРА Российский патент 2014 года по МПК F01D25/16 F01D25/28 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к турбинам, в частности к турбодетандерам для газа и пара с высокой молекулярной массой, главным образом к усовершенствованиям общей конструкции одно- или многоступенчатой турбины.

Уровень техники

Турбодетандер для газа и пара рассматриваемого типа содержит в основном неподвижный корпус или кожух с впускным и выпускным каналом для рабочей текучей среды, по меньшей мере первый статор и необязательные последующие ступени турбины, турбинный вал, который вращается вокруг оси и на который опирается по меньшей мере первый ротор и необязательные другие роторы, связанные соответственно с первым статором и последующими статорами, и систему компоновки и установки упомянутого турбинного вала в корпусе или кожухе.

Хорошо известно, что для достижения высокого КПД зазор между неподвижной частью, а именно корпусом или кожухом и вращающейся частью, иными словами, каждым рабочим колесом турбины, должен соответствующим образом уменьшаться в некоторых местах, в которых из-за просачивания текучей среды могут возникать существенные утечки, в частности, в лабиринтных уплотнениях и в пространстве между вершиной лопастей и неподвижным кольцом, с которым контактируют сами лопасти.

Небольшой зазор может поддерживаться также за счет того, что, поскольку механическое напряжение вращающихся деталей является умеренным, происходит умеренное колебание их размеров, в частности диаметра, во время пускового периода и штатного режима работы устройства.

В связи с этим в качестве опоры турбинного вала предпочтительно часто используют шарикоподшипники, которые в действительности могут быть изготовлены без собственного зазора, за счет чего радиальное положение вала турбины является одинаковым как в нерабочем режиме, так и во время вращения. Кроме того, шарикоподшипники являются менее дорогими, чем направляющие поршня, и выдерживают кратковременное отсутствие смазки, что, с другой стороны, быстро приводит к повреждению направляющих поршня. К тому же, в отличие от направляющих поршня шарикоподшипники не повреждаются при частом пуске и останове.

В любом случае независимо от использования шарикоподшипников или направляющих поршня важно, чтобы замена подшипников была простой и быстрой, что также относится к замене вращающихся уплотнений (независимо от того, используются ли известные механические уплотнения с плоской поверхностью, газонепроницаемые уплотнения, лабиринтные уплотнения или уплотнения любого другого типа), которые предотвращают выход рабочей текучей среды из внутреннего объема турбины в атмосферу и наоборот, если внутреннее давление рабочей текучей среды является более низким, чем атмосферное давление, предотвращают попадание воздуха во внутренний объем детандера.

Когда турбина находится в исправном состоянии, также важно, чтобы ее ротор в сборе отстоял на определенное расстояние от осевой опорной системы турбинного вала, более точно, от внутреннего конца неподвижной части системы, образованной трубой, внутри которой проходит турбинный вал.

Вместе с тем, также важно иметь возможность изолировать внутреннее пространство корпуса или кожуха турбины от наружной среды, когда требуется разобрать опорную систему вала для проведения технического обслуживания и(или) замены подшипников и уплотнений. Очевидно, что это необходимо для предотвращения рассеивания текучей среды изнутри корпуса или кожуха наружу на одном уровне с турбинным валом.

Документы US 2004/200215, ЕР 1566530 и US 2007/258669 описывают конструкцию турбины, известную из уровня техники.

Настоящее изобретение создано с учетом вышеизложенных обстоятельств, при этом особое внимание уделено выбору осевого положения ротора в сборе турбины во время работы и удержанию текучей среды внутри корпуса или кожуха турбины во время технического обслуживания опорной системы турбинного вала.

Соответственно, в настоящем изобретении предложен турбодетандер для газа или пара, имеющий корпус или кожух со спиралью для прохождения рабочей текучей среды из впускного канала в выпускной канал через статорную группу и роторную группу, необязательный торцевой щит, отходящий в радиальном направлении от упомянутой спирали в сторону оси турбинного вала, наружную трубу, прикрепленную к передней стороне упомянутого щита и служащую опорой для турбинного вала посредством расположенного между ними опорного элемента, при этом упомянутый вал имеет по меньшей мере крышку, на которой установлен ротор в сборе, расположенный внутри упомянутого кожуха или корпуса, отличающийся тем, что турбинный вал вместе с ротором в сборе способен перемещаться в осевом направлении между рабочим положением, в котором головка упомянутого вала отстоит на определенное расстояние от внутреннего конца трубы, и втянутым положением, в котором голова турбины или часть ротора в сборе опираются на внутренний конец трубы посредством по меньшей мере установленного между ними переднего уплотнения.

Соответственно, при нахождении турбинного вала во втянутом положении опорная система турбинного вала может быть разобрана, и(или) может быть осуществлено ее техническое обслуживание, и при этом текучая среда может удерживаться внутри корпуса или кожуха без ее рассеивания. Для перемещения турбинного вала вместе с ротором в сборе из одного положения в другое предусмотрено средство установки в заданное положение по меньшей мере между передней стенкой корпуса или кожуха турбины и ротором в сборе, т.е. головкой упомянутого вала.

Опорный элемент турбинного вала предпочтительно может полностью извлекаться в осевом направлении из наружной трубы, исключая вал, при этом упомянутый опорный элемент в основном содержит внутреннюю концентрическую муфту с турбинным валом с расположенными внутри нее несколькими подшипниками и несколькими уплотнительными средствами, используемыми на упомянутом валу. В этом случае, когда турбинный вал перемещается в обратном направлении и удерживает внутреннюю текучую среду внутри корпуса или кожуха, преимущественно также может осуществляться осевое перемещение опорного элемента, чтобы тем самым облегчить извлечение трубы.

Краткое описание чертежей

Далее изобретение будет более подробно описано со ссылкой на прилагаемые схематические чертежи, на которых:

на фиг.1 показан вид в поперечном разрезе части двухступенчатой турбины и некоторых отдельных элементов,

на фиг.2 показан вид в поперечном разрезе собранной части турбины,

на фиг.3 показан увеличенный вид детали, помещенной в круг на фиг.1.

Подробное описание изобретения

Хотя в следующем далее описании рассмотрена осевая турбина, а именно турбина, в которой перенос массы от входа к выходу динамического канала для текучей среды, в котором происходит расширение, осуществляется преимущественно за счет осевой составляющей скорости текучей среды, изобретение также применимо в турбине с диагональным потоком, а также только местным радиальным потоком.

Рассматриваемая в этом примере турбина, хотя и частично проиллюстрированная, является турбиной осевого типа с двумя ступенями. Она в основном содержит корпус или кожух 11 с впускным и выпускным каналом для текучей среды 12 (не проиллюстрированы); первый статор 13 и второй статор 14, соответственно, первой и второй ступени турбины; турбинный вал 15, который вращается вокруг оси X и на котором установлен первый ротор 16 и второй ротор 17, соответственно, соединенные с первым статором 13 и вторым статором 14; и систему компоновки упомянутого вала в корпусе или кожухе, образованную трубой 18 и опорным элементом 19 внутри трубы.

Корпус или кожух турбины 11, начиная от его наружной части, образован спиралью 20 и необязательным торцевым кольцевым щитом 21. Спираль 20 выполняет функцию трубки, по которой текучая среда, поступающая из впускного канала 12, перемещается посредством статора 13 первой ступени на вторую ступень или последующие ступени.

Кольцевой щит 21, когда он присутствует, отходит в радиальном направлении от спирали 20 в сторону оси X вала 15. Спираль 20 и щит 21 могут быть выполнены за одно целое, как показано на чертежах, или быть образованы двумя отдельными частями, соединенными друг с другом сваркой или фланцевым соединением. Щит 21 предпочтительно является не плоским, а имеет в меридианальном сечении волнообразную форму, образованную рядом цилиндрических или также конусообразных частей, соединенных радиальными участками, образующими витки и выступы.

При этой конфигурации деформации, испытываемые щитом 21, способны поглощать радиальные расширения и ограничивать напряжение за счет разности температур внутри и снаружи турбины без влияния на соосность системы.

Статор 13 первой ступени турбины имеет соответствующее первое множество лопастей 22, обращенных наружу первого статорного кольца 23. Это кольцо подвешено внутри спирали или к соединенному с ней фланцу таким образом, чтобы концы упомянутых лопастей 22 опирались непосредственно на внутреннюю поверхность 24 части спирали непосредственно до ротора 16 первой ступени или посредством промежуточного калиброванного кольца (не показанного), которое должно возвращаться на внутреннюю поверхность спирали, что облегчает его изготовление.

Первый ротор 16 содержит соответствующий диск 25, который прикреплен к турбинному валу 15, на котором установлены радиальные лопасти 26, обращенные в сторону упомянутого статорного кольца 23 и касающиеся его с уменьшенным зазором и(или) посредством необязательного сплошного или сегментированного промежуточного кольца, прикрепленного к лопастям.

Аналогичным образом, статор 14 второй ступени турбины содержит соответствующее второе множество лопастей 27 статора, которые с наружной стороны опираются на второе статорное кольцо 28, закрепленное, как и первое статорное кольцо 23, или внутри спирали 20 таким образом, чтобы концы вторых лопастей 27 опирались на промежуточную мембрану 29 непосредственно до второго ротора 17. Второй ротор также имеет соответствующий диск 30, который прикреплен к турбинному валу 15 таким же образом, как и диск 25 первого ротора 16, и имеет радиальные лопасти 31, обращенные в сторону упомянутого статорного кольца 28 и касающиеся его.

Промежуточная мембрана 29 является статичной и расположена между дисками 25, 30 двух роторов 16, 17, между которыми установлены остроконечные лабиринтные уплотнения 32.

В целом, за счет опоры лопастей статора, в частности, имеющих меньшую радиальную протяженность лопастей первого статорного кольца, прямо или косвенно на внутреннюю поверхность обеспечивается совпадение оси вращения роторов 16, 17, которая, очевидно, совпадает с осью X турбинного вала 15, и наружных статорных колец 23, 28 во время работы турбины, что было бы невозможно, если бы соосность зависела только от внутренней поверхности спирали, имеющей большие размеры и соединенной с трубой большей протяженности и тем самым подверженной большему расширению вследствие колебаний нагрева и диаметра.

Турбинный вал 15 имеет заданный диаметр, а на его конце, обращенном внутрь турбины, может находиться по меньшей мере головка 15', выполненная предпочтительно за одно целое с валом (фиг.1). Как показано, на противоположных сторонах головки 15' вала 15 закреплены диски 25, 30 роторов 16, 17, например, посредством зубчатой системы и(или) резьбовой тяги или подобными средствами 33.

Труба 18 системы компоновки турбинного вала 15 соосно соединена со щитом 21 и выступает от передней стороны кожуха 11 по оси X упомянутого вала. Соединение может осуществляться путем сварки или отбортовки. Во втором случае труба 18 имеет наружный фланец 118, привинченный винтами 121 к контрфланцу 120, проходящему вдоль внутреннего края щита 21, а между фланцем и контрфланцем помещается несколько проставок 34. Эти проставки предпочтительно выполнены в виде прокладок, которые могут различаться по ширине или различные количества которых могут помещаться поверх друг друга с тем, чтобы обеспечивать надлежащее соединение и радиальный зазор между концами лопастей ротора и соответствующим роторным кольцом первой ступени.

Кроме того, труба 18 и кожух 11 турбины или предпочтительно передняя поверхность спирали 20 могут быть соединены посредством опоры 122, например, типа пяты или поворотного типа, служащей для предотвращения осевых отклонений, вибраций или колебаний самой трубы и обеспечения соосности спирали и вращающихся частей турбины.

Опорный элемент 19 турбинного вала 15 содержит элементы, которые компонуют при установке в трубе вокруг вала и которые затем предпочтительно все вместе за исключением вала 15 могут извлекаться в осевом направлении из трубы 18.

Опорный элемент 19, в частности, имеет соосную с турбинным валом 15 муфту 35, наружный диаметр которой совместим с внутренним диаметром трубы 18 и внутри которой при помощи проставок установлено несколько подшипников 36 и система 40 уплотнения, используемая на валу.

Важно, чтобы радиальное соединение опорного элемента с трубой 18 было выполнено таким образом, чтобы не вызывать деформаций внутренней муфты 35, а также отклонений от соосности с турбинным валом. Это достигается преимущественно за счет соединения изостатического типа между наружной трубой 18, выполненного посредством двух периферийных ограничительных опорных зон в продольном направлении между внутренней поверхностью трубы 18 и наружной поверхностью муфты 35.

Опорный элемент 19 закреплен в осевом направлении на трубе 18 посредством круглой гайки 19', привинченной к валу 15. К свободному наружному концу трубы 18 прикреплен фланец 38 крышки. На свободном конце вала 15 любым надлежащим способом выполнено стыковое соединение 55 для соединения вала 15 с каким-либо элементом оборудования (не показанным) и передачи на него крутящего момента.

С другой стороны, между фланцем 38 крышки и муфтой 35 опорного элемента 19 может быть расположено несколько упорных пружин 39, выбранных и действующих таким образом, чтобы обеспечивать физический контакт двух соосных элементов, т.е. трубы и соединения в продольной опорной зоне, для сдерживания нагрузки как вследствие вероятной разбалансировки турбины, так и осевого давления рабочей текучей среды.

Вышеупомянутая система 40 уплотнения является предпочтительно системой механического типа и расположена между внутренним концом муфты 35 и головкой 15' турбинного вала 15 также с возможностью извлечения вместе с другими частями опорного элемента 19. Между муфтой 35 опорного элемента 19 и трубой 18 может быть установлена по меньшей мере уплотнительная прокладка 18', а между механическим уплотнительным устройством 40 и турбинным валом 15 может быть установлена другая уплотнительная прокладка 36'. Спереди на внутреннем конце трубы 18 установлена уплотнительная прокладка 41, обращенная в сторону головки 15' турбинного вала 15.

Кроме того, труба 18 в корпусе и муфта 35 входят в зацепление в радиальном направлении посредством винта или шпильки 38' для их фиксации и предотвращения вращения муфты в трубе. Как показано на фиг.2, для винта или шпильки 18' используют расширенную опорную поверхность 35' с возможностью небольших осевых перемещений опорного элемента 19 относительно вала 15 и трубы 18.

Благодаря этому устройству опорный элемент 19, в который упираются пружины 39, способен в нормальных условиях оставаться в выдвинутом положении контакта на одном уровне с продольной опорной зоной, а также слегка втягиваться в зависимости от осевого положения головки турбинного вала.

В частности, когда турбина находится в рабочем состоянии, головка 15' турбинного вала 15, должна слегка отстоять от внутреннего конца наружной трубы 18 с уплотнительной прокладкой 41. Однако, как указано выше, в момент извлечения опорного элемента 19 из наружной трубы 18 предпочтительно, чтобы головка 15' турбинного вала 15 могла находиться очень близко к концу упомянутой трубы 18 и опираться на уплотнительную прокладку 41, чтобы тем самым изолировать внутреннее пространство турбины от наружной среды. Для этого перемещения согласно изобретению щит 21 или хотя бы передняя стенка корпуса или кожуха турбины 11 снабжены (фиг.2) отверстиями 42, которые обращены в сторону первого ротора 16 и обычно остаются закрытыми заглушками 43. С другой стороны, когда это необходимо, заглушки могут быть удалены и, таким образом, в отверстия 42 может быть вставлен винт 45, который затягивают в обращенном к нему отверстии 44 в диске соседнего ротора 16. Тем самым можно перемещать ротор в сборе в сторону внутреннего конца трубы, за счет чего турбинный вал способен перемещаться и опираться головкой 15' на уплотнительную прокладку 41. За счет этого перемещения головка турбинного вала обеспечивает удержание текучей среды внутри корпуса или кожуха турбины во избежание излишнего рассеивания, и в то же время обеспечивается обратное движение опорного элемента 19 для облегчения его извлечения из трубы, в частности, когда планируется полное извлечение.

Изложенное выше описание и сопровождающие его чертежи относятся к реализации турбины, в которой головка 15' вала 15, на которой установлен ротор в сборе, имеет больший диаметр, чем диаметр внутреннего конца наружной трубы 18. Однако это не означает, что система удержания текучей среды в корпусе ранее проиллюстрированной турбины не может быть также применена в формах реализации, в которых, хотя они и не проиллюстрированы, головка вала, на которую опирается ротор в сборе, имеет меньший диаметр, чем внутренний конец упомянутой трубы. В этом случае, когда ротор в сборе находится во втянутом положении, уплотнение 41 на конце внутреннего конца трубы будет опираться на обращенную к нему часть диска 25 первого ротора 16 и образовывать уплотнение.

Таким образом, речь идет о турбине для расширения газа и пара, содержащей: корпус или кожух со спиралью для прохождения текучей среды из впускного в выпускной канал через по меньшей мере статорную группу или роторную группу (16, 17), опционально торцевой щит, отходящий в радиальном направлении от упомянутой спирали в сторону оси турбинного вала, наружную трубу (18), прикрепленную к передней стороне упомянутого щита или упомянутой спирали и служащую опорой для турбинного вала посредством расположенного между ними опорного элемента (19), при этом упомянутый турбинный вал (15) имеет головку (15'), на которую опирается роторная группа (16, 17), и турбинный вал (15) вместе с роторной группой (16, 17) способны перемещаться в осевом направлении между рабочим положением, в котором головка (15') упомянутого вала отстоит на определенное расстояние от внутреннего конца наружной трубы (18) и обращена в сторону упомянутой статорной группы, и втянутым положением, в котором головка (15') вала или часть роторной группы (16, 17) опираются на внутренний конец наружной трубы (18) посредством установленного между ними по меньшей мере переднего уплотнения (41).

В турбине между корпусом или кожухом и роторной группой (16, 17), установленной в упомянутом корпусе или кожухе, как правило, расположено средство для перемещений турбинного вала (15) из упомянутого рабочего положения в упомянутое втянутое положение. Упомянутое уплотнение (41), как правило, установлено на внутреннем конце наружной трубы (18), а головка (15') турбинного вала (15) имеет поверхность, которая опирается на упомянутое уплотнение, когда вал находится во втянутом положении. При этом уплотнение (41) может быть установлено на внутреннем конце наружной трубы (18), а роторная группа, опирающаяся на турбинный вал, имеет переднюю поверхность, которая опирается на уплотнение, когда вал находится во втянутом положении. Упомянутое средство для перемещений турбинного вала может быть расположено между передней стенкой упомянутого корпуса или кожуха и фронтальной частью диска (25) роторной группы и, как правило, содержит первые отверстия (42), которые проходят через щит или переднюю часть корпуса или кожуха турбины и обращены в сторону диска (25) первого ротора (16); отверстия (44) в диске (25) первого ротора (16) на одной линии с первыми отверстиями (42) и винты (45), входящие в первые отверстия (42) и ввинчиваемые в отверстия (44) для перемещения турбинного вала в сторону внутреннего конца наружной трубы (18). При этом первые отверстия могут быть закрыты заглушкой (43), когда в них не вставлены винты (45). Опорный элемент (19), как правило, помещается по центру наружной трубы (18) в направлении головки вала, но не контактирует с ней, когда вал находится в выдвинутом положении. При этом опорный элемент (19), как правило, опирается на головку турбинного вала посредством переднего уплотнения (41), когда опора находится во втянутом положении. Кроме того, опорный элемент (19) имеет соосную с турбинным валом (15) внутреннюю муфту (35), внутри которой установлено несколько подшипников и уплотнительных средств, используемых на валу, при этом опорный элемент (19) концентрически установлен в осевом направлении в наружной трубе (18) с возможностью его извлечения целиком.

Турбина для расширения газа и пара содержит корпус со спиралью, выполненные с возможностью прохождения текучей среды из впускного в выпускной канал через статорную и роторную группы, наружную трубу, а также может содержать торцевой щит, отходящий в радиальном направлении от упомянутой спирали в сторону оси турбинного вала. Наружная труба прикреплена к передней стороне щита или спирали и служит опорой для турбинного вала посредством расположенного между ними опорного элемента. Турбинный вал имеет головку, на которую опирается роторная группа, причем турбинный вал вместе с роторной группой выполнены с возможностью осевого перемещения между рабочим положением и втянутым положением. В рабочем положении головка вала отстоит на расстоянии от внутреннего конца наружной трубы и обращена в сторону статорной группы, а во втянутом положении головка вала или часть роторной группы опирается на внутренний конец наружной трубы посредством установленного между ними переднего уплотнения. Изобретение позволяет обеспечить возможность замены опоры вала турбины с герметизацией внутреннего объема турбины от окружающей среды во время замены такой опоры. 9 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Турбина для расширения газа и пара, содержащая:
корпус или кожух со спиралью для прохождения текучей среды из впускного в выпускной канал через по меньшей мере статорную группу и роторную группу (16, 17),
опционально торцевой щит, отходящий в радиальном направлении от упомянутой спирали в сторону оси турбинного вала,
наружную трубу (18), прикрепленную к передней стороне упомянутого щита или упомянутой спирали и служащую опорой для турбинного вала посредством расположенного между ними опорного элемента (19),
при этом упомянутый турбинный вал (15) имеет головку (15'), на которую опирается роторная группа (16, 17), и турбинный вал (15) вместе с роторной группой (16, 17) способны перемещаться в осевом направлении между рабочим положением, в котором головка (15') упомянутого вала отстоит на определенное расстояние от внутреннего конца наружной трубы (18) и обращена в сторону упомянутой статорной группы, и втянутым положением, в котором головка (15') вала или часть роторной группы (16, 17) опираются на внутренний конец наружной трубы (18) посредством установленного между ними по меньшей мере переднего уплотнения (41).

2. Турбина по п.1, в которой между корпусом или кожухом и роторной группой (16, 17), установленной в упомянутом корпусе или кожухе, расположено средство для перемещений турбинного вала (15) из упомянутого рабочего положения в упомянутое втянутое положение.

3. Турбина по п.1 или 2, в которой упомянутое уплотнение (41) установлено на внутреннем конце наружной трубы (18), а головка (15') турбинного вала (15) имеет поверхность, которая опирается на упомянутое уплотнение, когда вал находится во втянутом положении.

4. Турбина по п.1 или 2, в которой уплотнение (41) установлено на внутреннем конце наружной трубы (18), а роторная группа, опирающаяся на турбинный вал, имеет переднюю поверхность, которая опирается на уплотнение, когда вал находится во втянутом положении.

5. Турбина по п.1 или 2, в которой упомянутое средство для перемещений турбинного вала расположено между передней стенкой упомянутого корпуса или кожуха и фронтальной частью диска (25) роторной группы.

6. Турбина по п.5, в которой упомянутое средство содержит первые отверстия (42), которые проходят через щит или переднюю часть корпуса или кожуха турбины и обращены в сторону диска (25) первого ротора (16); отверстия (44) в диске (25) первого ротора (16) на одной линии с первыми отверстиями (42) и винты (45), входящие в первые отверстия (42) и ввинчиваемые в отверстия (44) для перемещения турбинного вала в сторону внутреннего конца наружной трубы (18).

7. Турбина по п.5, в которой первые отверстия могут быть закрыты заглушкой (43), когда в них не вставлены винты (45).

8. Турбина по п.1, в которой опорный элемент (19) помещается по центру наружной трубы (18) в направлении головки вала, но не контактирует с ней, когда вал находится в выдвинутом положении.

9. Турбина по п.8, в которой опорный элемент (19) опирается на головку турбинного вала посредством переднего уплотнения (41), когда опора находится во втянутом положении.

10. Турбина по п.8, в которой опорный элемент (19) имеет соосную с турбинным валом (15) внутреннюю муфту (35), внутри которой установлено несколько подшипников и уплотнительных средств, используемых на валу, при этом опорный элемент (19) концентрически установлен в осевом направлении в наружной трубе (18) с возможностью его извлечения целиком.