СПОСОБ ЭКСПЛУАТАЦИИ РОТАЦИОННОЙ МАШИНЫ Российский патент 2016 года по МПК F01D3/04 

Изобретение относится к эксплуатации ротационной машины согласно пункту 1 ограничительной части формулы изобретения.

Подобная ротационная машина описана, например, в WO (ВОИС) 00 28190 A1. Согласно этой публикации ротационная машина является газовой турбиной аксиальной конструкции с обычно присутствующими компонентами: компрессором, камерой сгорания, турбиной, а также с общим ротором для компрессора и турбины. Известная газовая турбина содержит со стороны компрессора осевой подшипник с основной и вспомогательной дорожками качения для аксиального позиционирования ротора газовой турбины. При этом основная и вспомогательная дорожки качения могут прилегать к боковой поверхности соответствующего буртика вала с образованием гидродинамической пленки скольжения из рабочей жидкости. Какая из обеих дорожек качения задает при этом осевое положение ротора, зависит от режима работы. Пригодное для этого гидравлическое устройство управления известно из европейского патента ЕР 1479875 А1. При этом с помощью 4/2-ходового клапана давление может быть оказано или на основную, или на вспомогательную дорожку качения в зависимости от того, должен сдвигаться ротор по оси или нет.

Альтернативные осевые подшипники известны из WO (ВОИС) 91/02174 A1 и из американского патента US 5795073.

В предписанном режиме работы газовой турбины боковая поверхность первого буртика вала прилегает к основной дорожке качения осевого подшипника, поскольку гидроэнергия течения горячего газа, аксиально действующая на ротор в области турбины, больше гидроэнергии течения в компрессоре и тем самым постоянно сдвигает его от компрессора в направлении турбоагрегата. В этом случае, если ротор газовой турбины ускоряется от состояния покоя до номинальной частоты вращения, в силовом потоке осевого подшипника вместо основной дорожки качения оказывается вспомогательная дорожка качения. Во время этого разгона возникает результирующая сила тяги, аксиально действующая на ротор газовой турбины и которая направлена противоположно рабочей силе тяги, а именно, от турбоагрегата в направлении компрессора. При подходе к номинальной частоте вращения текущее направление тяги мгновенно изменяется, так что позиционирование ротора по оси в этом случае изменяется с вспомогательной дорожки качения на основную дорожку качения.

Кроме того, ранее известный осевой подшипник оснащен аксиально сдвигаемыми подшипниковыми элементами, чтобы в стационарном режиме работы газовой турбины сдвигать ротор в направлении против потока горячего газа и тем самым минимизировать радиальные зазоры в турбине между вершинами рабочих лопаток и противолежащей им стенкой корпуса.

Оказалось, что при эксплуатации газовой турбины могут возникать режимы работы, приводящие к аксиальным колебаниям ротора. Эти аксиальные колебания, если амплитуды аксиальных колебаний превышают критическую величину, в худшем случае могут привести к повреждению осевого подшипника или конструктивных элементов, находящихся в силовом потоке. Эти аксиальные колебания чаще всего являются результатом нестабильности процесса горения, протекающего внутри камеры сгорания. Причины нестабильности часто являются разнообразными и непредсказуемыми.

Поэтому задачей изобретения является создание способа эксплуатации ротационной машины, при котором аксиальные колебания демпфируются или даже предотвращаются.

Задача, относящаяся к способу, решается с помощью такового согласно признакам пункта 1 формулы изобретения. Предпочтительные варианты осуществления и дополнительные признаки изобретения приведены в зависимых пунктах формулы изобретения.

В способе эксплуатации ротационной машины согласно изобретению с установленным в подшипнике ротором, который в какой-то момент работы подвержен действию силы тяги, действующей, главным образом, только в аксиальном направлении, т.е. в основном направлении тяги, а воспринимаемой и отводимой первым упорным подшипником подшипника через смазку, причем подшипник содержит второй упорный подшипник, второй упорный подшипник при появлении силы тяги по меньшей мере периодически одновременно управляется таким образом, чтобы он через ротор создавал усилие, действующее на первый упорный подшипник в основном направлении тяги.

Изобретатели распознали, что с помощью соответствующей ненагруженной дорожки качения, т.е. второго упорного подшипника, существует возможность того, чтобы при появлении аксиальных колебаний ввести в зацепление с ротором также второй упорный подшипник и тем самым добиться демпфирования аксиальных колебаний за счет уменьшения осевого зазора у нагруженного, т.е. первого упорного подшипника. Тем самым к ротору ротационной машины, несмотря на наличие силы тяги, действующей в данный момент только в аксиальном направлении, дополнительно прикладывается еще одно усилие, действующее в том же направлении, с тем, чтобы уменьшить склонность ротора к колебанию. Хотя в результате к первому упорному подшипнику прикладывается большее усилие, чем усилие, создаваемое за счет силы тяги, он в результате не перегружается. С помощью этого способа можно добиться того, чтобы, хотя и не причина аксиальных колебаний ротора, но все же их свойства заметно изменялись: амплитуда аксиальных колебаний ограничивается. Это гарантированно предотвращает повреждения подшипника или конструктивных элементов, находящихся в потоке.

Предпочтительно, чтобы подшипник и тем самым оба упорных подшипника выполнялись как подшипники скольжения, в которых соединение упорного подшипника с ротором с силовым замыканием достигается путем подачи рабочей жидкости в осевой зазор, имеющийся между упорным подшипником и ротором.

Особенно предпочтительно, чтобы этот способ осуществлялся в нестационарном режиме работы и/или при работе ротационной машины, выполненной в виде турбомашины, с частичной нагрузкой. В частности, в стационарных газовых турбинах, в которых возникает сила тяги, действующая на ротор в аксиальном направлении, при нестационарных режимах работы, т.е. при запуске газовой турбины из состояния покоя до номинальной частоты вращения, появляются аксиальные колебания. Такие колебательные состояния могут возникать даже при малой частичной нагрузке. Поэтому предпочтительно, чтобы в таких режимах работы второй упорный подшипник также был соединен с ротором с силовым замыканием. Обычно в режиме полной нагрузки второй упорный подшипник в отличие от первого упорного подшипника подсоединен к ротору без силового замыкания, поскольку в этом рабочем режиме аксиальные колебания, как правило, не возникают. Это экономит энергию, необходимую для обеспечения рабочей жидкостью второго упорного подшипника.

Кроме того, предпочтительно, чтобы аксиальные колебания ротора регистрировались датчиком и сравнивались с предельной величиной. Предпочтительно, чтобы предложенное демпфирование ротора активировалось лишь при превышениях предельных значений, для чего второй упорный подшипник одновременно управляется таким образом, чтобы посредством ротора он создавал усилие, действующее на первый упорный подшипник в направлении основной тяги.

Само собой разумеется, что способ осуществим до, во время и/или после аксиального сдвига ротора.

Ниже изобретение описывается на основе гидравлического осевого подшипника. Само собой разумеется, что обе дорожки качения осевого подшипника можно заменить также двумя магнитными осевыми подшипниками противоположного действия, которые согласно изобретению при возникновении аксиальных колебаний могут одновременно прикладывать к ротору, смонтированному на подшипниках, усилия тяги, направленные противоположно.

Другие преимущества и признаки изобретения вытекают из примера выполнения, более подробно описанного в приложенных фигурах, на которых

фиг.1 изображает стационарную газовую турбину в частичном продольном разрезе,

фиг.2 - продольный разрез подшипника ротационной машины с первым и вторым упорными подшипниками,

фиг.3 - гидросистему для приведения гидравлического осевого подшипника на фиг.2 в действие и

фиг.4 - электрическую схему для управления гидросистемой на фиг.3.

На всех фигурах идентичные признаки обозначены одинаковыми позициями.

На фиг.1 изображена газовая турбина 10 в частичном продольном разрезе. Газовая турбина 10 содержит внутри ротор 14, смонтированный на подшипниках с возможностью вращения и именуемый также рабочим колесом турбины. Вдоль ротора 14 следуют друг за другом корпус 16 воздухозаборника, компрессор 18, тороидальная кольцевая камера 20 сгорания с несколькими горелками 22, установленными вращательно-симметрично относительно друг друга, турбоагрегат 24 и корпус 26 для отходящих газов.

Компрессор 18 содержит кольцеобразно выполненный канал 25 компрессора с каскадообразно следующими в нем друг за другом ступенями компрессора из ободов рабочих и направляющих лопаток турбины. Рабочие лопатки 27 турбины, установленные на роторе 14, расположены своими свободно заканчивающимися вершинами рабочих сторон лопатки напротив наружной стенки канала 25 компрессора. Канал 25 уплотнителя заканчивается своим диффузором 36 на выходе компрессора в пленуме 38. В нем кольцевая камера 20 сгорания предусмотрена со своей камерой 28 сгорания, сообщающейся с высокотемпературным кольцевым газовым каналом турбоагрегата 24. В турбоагрегате 24 установлены четыре последовательно включенные ступени 32 турбины. К ротору 14 подсоединены (соответственно, не показанные) генератор или рабочая машина.

При работе газовой турбины 10 компрессор 18 через корпус 16 воздухозаборника всасывает в качестве сжимаемой среды, окружающий воздух 34, и сжимает его. Сжатый воздух подается через диффузор 36 на выходе компрессора в пленум 38, откуда он устремляется в горелки 22. Через горелки 22 в камеру 28 сгорания поступает также топливо. Там топливо с добавкой сжатого воздуха сгорает с получением горячего газа М. Затем горячий газ М устремляется в высокотемпературный газовый канал 30, где он расширяется, действуя на лопатки турбины турбоагрегата 24. Высвобожденная при этом энергия поглощается ротором 14 и, с одной стороны, используется для привода компрессора 18, а с другой стороны, для привода рабочей машины или электрогенератора.

Подшипник 39 для установки ротора 14 изображен на фиг.1 лишь схематично.

На фиг.2 подшипник 39 изображен в продольном разрезе в деталях. Подшипник 39 содержит центральный корпус 40 подшипника, в котором предусмотрены два осевых подшипника 47, 49 и один радиальный подшипник 41. При этом осевые подшипники 47, 49 выполнены в качестве основных и вспомогательных упорных подшипников. Оба осевых подшипника 47, 49 в дальнейшем кратко именуются основной дорожкой качения 47 или вспомогательной дорожкой качения 49, или совместно дорожками 47, 49 качения. Все подшипники 41, 47, 49 выполнены в виде гидродинамических подшипников качения.

Основная дорожка качения 47 содержит опору 51 для элементов и несколько сидящих в ней, распределенных подшипниковых элементов 46, обладающих соответственной поверхностью 50 подшипника. Поверхности 50 подшипника подшипниковых элементов 46 непосредственно соседствуют с боковой поверхностью 42 ротора. Точно так же вспомогательная дорожка качения 49 охватывает опору 53 для элементов с несколькими распределенными по окружности подшипниковыми элементами 48, обладающими соответствующей поверхностью 52 подшипника, противолежащей боковой поверхности ротора. При этом подшипниковые элементы 46, 48 с помощью рабочей жидкости, воздействующей на опору 51 для элементов, могут прижиматься к поверхностям 42, 44 ротора для аксиальной установки ротора 14.

Для приведения обоих упорных подшипников 43, 45 в действие предусмотрена гидросистема 60 (фиг.3), с помощью которой активируется демпфирование аксиальных колебаний согласно изобретению как при сдвинутом, так и при несдвинутом роторе 14. Эта гидросистема 60 наряду с емкостью 62 для рабочей жидкости 61 содержит проводящую систему для соединения емкости 62 с питающим выводом 64 основной дорожки 47 качения и с питающим выводом 66 вспомогательной дорожки 49 качения. Для каждой дорожки 47, 49 качения предусмотрена питающая линия 68, 70 с множеством клапанов управления. Первый насос Р₁ может подавать гидравлическую жидкость 61 под более высоким давлением р₁, чем второй насос Р₂. Последний подает рабочую жидкость 61 под меньшим давлением р₂. Установка давлений р₁, р₂ осуществляется с помощью редукционных клапанов 72, 74, вводы которых со стороны входа соединены с выводами насосов Р₁, Р₂ со стороны выхода. Редукционные клапаны 72, 74 возвращают излишнюю рабочую жидкость 61 обратно в емкость 62.

4/2-ходовой клапан V₁₂, соединенный со стороны входа с выходом насоса Р₁, при активированном электроприводе К₁ через переключающий клапан V₇ может подводить гидравлическую жидкость 61 под большим давлением р₁ к основной дорожке 47 качения или при активированном электроприводе К₂ через переключающий клапан V₈ - к вспомогательной дорожке 49 качения. С помощью двух 3/2-ходовых клапанов V₃, V₄ с появлением или после появления недопустимо больших амплитуд аксиальных колебаний ротора 14 к дорожке 47, 49 качения, не обеспечиваемой высоким давлением р₁, через соответствующий переключающий клапан V₇, V₈ может подводиться рабочая жидкость 61 с более низким давлением р₂. Для активирования 3/2-ходовых клапанов V₃, V₄ необходимо приводить в действие соответствующий электропривод К₃ или К₄.

Гидравлическая жидкость, стекающая с дорожек 47, 49 качения обратно, что происходит при деактивации сдвига ротора 14 по оси или при деактивации демпфирования, возвращается через 2/2-ходовые клапаны V₅ и V₆, включенные, соответственно, параллельно переключающим клапанам V₇ и V₈, а затем через 4/2-ходовой клапан V₁₂ обратно в емкость 62.

Клапаны V₃, V₄, V₅, V₆ под действием силы натяжения пружины переводятся при деактивированных электроприводах К_х обратно. Обычно электроприводы выполнены в виде электромагнитных катушек.

Кроме того, на фиг.4 изображена электрическая схема управления электроприводами К₁-К₆ гидросистемы 60. Схема содержит шесть токопроводящих дорожек SP1-SP6. При срабатывании выключателя S1 происходит переключение с режима с несдвинутым ротором 14 на режим со сдвинутым ротором 14. При срабатывании выключателя S2 может активироваться демпфирование ротора 14, что более подробно будет пояснено ниже.

При разгоне газовой турбины 10 ротор 14 газовой турбины ускоряется от 0 мин^-1 до номинальной частоты вращения. При этом, а также при работе газовой турбины 10 как в компрессоре 18, так и в турбогенераторе 24, появляется гидроэнергия течения, воздействующая на ротор 14. Ее аксиальные компоненты направлены противоположно и частично компенсируют друг друга. При разгоне результирующая аксиальная гидроэнергия течения первоначально сдвигает ротор 14 в направлении корпуса 16 воздухозаборника. Лишь по достижении переходной частоты вращения, несколько более низкой относительно номинальной частоты вращения, результирующая аксиальная сила тяги мгновенно изменяет направление, так что ротор 14 в этом случае сдвигается в направлении корпуса 26 для отходящих газов. В этом направлении ротор 14 под действием гидроэнергии течения горячего газа М сдвигается даже в предписанном режиме работы газовой турбины. Это направление обозначается как основное направление сдвига.

При разгоне, а также при работе газовой турбины 10 между ротором 14 и радиальным подшипником 41 располагается пленка гидравлической жидкости 54.

Пока ротор 14 сдвигается противоположно основному направлению сдвига для его аксиальной установки, обе поверхности 44, 52 разделены лишь тонким слоем гидравлической жидкости, например, масла для гидросистем или турбинного масла. Ротор 14 и вспомогательная дорожка 49 качения в этом случае соединены с силовым замыканием, в то время как между поверхностью 50 подшипника и поверхностью 42 ротора имеется воздушный зазор (на фиг.2 не показан). Это означает, что соединение основной дорожки 47 качения с ротором 14 с силовым замыканием в этом случае отсутствует.

По достижении переходной частоты вращения аксиальная установка на подшипниках переключается с вспомогательной дорожки 49 качения на основную дорожку 47 качения. Для этого между поверхностью 50 подшипника и поверхностью 42 ротора создается пленка рабочей жидкости гидродинамического действия. Одновременно разгружается вспомогательная дорожка 49 качения, для чего между поверхностью 52 подшипника и поверхностью 44 ротора появляется воздушный зазор 55 (показан на фиг.2).

В этот момент не срабатывает ни выключатель S1, ни выключатель S2, так что по электрической цепи SP2 активирован только привод К₂.

Подшипниковый элемент 46 для установления радиальных зазоров сдвигается по оси, причем для сдвига по оси в подшипнике 39 имеется пространство для масла, в которое при срабатывании выключателя S1 рабочая жидкость подается под более высоким давлением р₁, так что сдвиг опоры 51 для элементов и подшипниковых элементов 46 по оси достигается синхронно. Более высокое давление р₁ достигается за счет того, что редукционный клапан 72 установлен соответствующим образом. Опора 51 для элементов содержит по внутреннему и наружному диаметру в направлении пространства 56 для масла соответствующие уплотнительные кольца. Даже подшипниковый элемент 48 и взаимодействующая с ним опора 53 для элементов также выполнены с возможностью сдвига по оси.

На тот случай, что ротор 14 вследствие нестабильности горения в режиме частичной нагрузки на газовую турбину 10 склонен к аксиальным колебаниям, в дополнение к (нагруженной) основной дорожке 47 качения, находящейся в силовом потоке в виде первого упорного подшипника 43, в виде второго упорного подшипника 45 путем одновременной подачи рабочей жидкости также в зазор между поверхностью 52 подшипника и поверхностью 44 ротора с целью уменьшения осевого зазора ротора 14 может быть подсоединена с силовым замыканием вспомогательная дорожка 49 качения. Для этого необходимо настолько большое давление в рабочей жидкости второго упорного подшипника 45, чтобы от второго упорного подшипника 45 через ротор 14 к первому упорному подшипнику 43 прикладывалось дополнительное усилие, действующее в направлении основного сдвига ротора 14. Это усилие при возникновении аксиальных колебаний демпфирует и ограничивает обратное качание ротора 14 против направления потока горячего газа М. Благодаря этому можно с гарантией избежать повреждений как на роторе 14, так и на конструктивных элементах подшипника газовой турбины 10, находящихся в силовом потоке. Для достижения этого при превышении недопустимо большого аксиального колебания приводится в действие вручную или автоматически выключатель S2, благодаря чему в этом случае привод К₄ приводит в действие клапан V₄. По окончании этапа демпфирования аксиального колебания выключатель S2 деактивируется, благодаря чему привод К₆ приводит в действие клапан V₆. В результате рабочая жидкость вспомогательной дорожки 49 качения может стекать по трубопроводу 70, через клапаны V₆ и V₁₂ обратно в емкость 62.

Поскольку при разгоне возникают аксиальные колебания, они могут быть демпфированы, для чего к уже нагруженной вспомогательной дорожке 49 качения подключается основная дорожка 47 качения. В этом случае выключатель S1 не приводится, а выключатель S2 приводится в действие. При этом основная дорожка 47 качения создает дополнительное усилие, которое через ротор 14 увеличивает нагрузку на вспомогательную дорожку 49 качения.

Само собой разумеется, что способ применим не только к газовым турбинам, но и к другим ротационным машинам.

В общем, изобретение тем самым относится к способу эксплуатации ротационной машины с установленным в подшипнике 39 ротором 14, который в какой-то момент работы подвержен действию силы тяги, действующей, главным образом, только в аксиальном направлении, а воспринимаемой и отводимой через рабочую жидкость первым упорным подшипником 43 подшипника 39, причем подшипник 39 содержит второй упорный подшипник 45. Для указания способа, при котором аксиальные колебания ротора 14 демпфируются или даже предотвращаются, предлагается, чтобы при возникновении силы тяги второй упорный подшипник 45 по меньшей мере периодически одновременно создавал усилие, действующее на первый упорный подшипник 43 в направлении основного сдвига. Вследствие этого ротор 14, если смотреть в аксиальном направлении, перекашивается, причем в то же время он, само собой разумеется, впредь установлен с возможностью вращения.

Изобретение относится к способу эксплуатации ротационной машины с установленным в подшипнике (39) ротором (14), который в какой-то момент работы подвержен действию силы тяги, действующей, главным образом, только в аксиальном направлении, а воспринимаемой и отводимой первым упорным подшипником (43) подшипника (39) через смазку, причем подшипник (39) содержит второй упорный подшипник (45). Для демпфирования или даже предотвращения аксиальных колебаний ротора (4) предлагается, чтобы при возникновении силы тяги второй упорный подшипник (45) по меньшей мере периодически одновременно создавал усилие, действующее на первый упорный подшипник (43) в направлении тяги. 11 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ эксплуатации ротационной машины с установленным в подшипнике (39) ротором (14), который в момент работы подвержен действию силы тяги, действующей, главным образом, только в аксиальном направлении, и сила тяги воспринимается и отводится первым упорным подшипником (43) подшипника (39) через смазку, причем подшипник (39) содержит второй упорный подшипник (45),
отличающийся этапом,
на котором второй упорный подшипник (45) при появлении силы тяги по меньшей мере периодически одновременно создает усилие, действующее на первый упорный подшипник (43) в направлении тяги.

2. Способ по п. 1,
в котором усилие, действующее в направлении основного сдвига, активируют только после аксиальных колебаний ротора (14), или с их появлением.

3. Способ по п. 1 или 2,
осуществляемый в нестационарных режимах работы и/или в режиме частичной нагрузки на ротационную машину, выполненную в виде турбомашины.

4. Способ по п. 1 или 2,
осуществляемый турбомашиной, выполненной в виде стационарной газовой турбины (10).

5. Способ по п. 3,
осуществляемый турбомашиной, выполненной в виде стационарной газовой турбины (10).

6. Способ по одному из пп. 1, 2 или 5,
осуществляемый до и/или во время аксиального сдвига ротора (14).

7. Способ по п. 3,
осуществляемый до и/или во время аксиального сдвига ротора (14).

8. Способ по п. 4,
осуществляемый до и/или во время аксиального сдвига ротора (14).

9. Способ по одному из пп. 1, 2, 5, 7 или 8, в котором подшипник выполнен в виде гидравлического осевого подшипника.

10. Способ по п. 3, в котором подшипник выполнен в виде гидравлического осевого подшипника.

11. Способ по п. 4, в котором подшипник выполнен в виде гидравлического осевого подшипника.

12. Способ по п. 6, в котором подшипник выполнен в виде гидравлического осевого подшипника.