РОТОР ТУРБИНЫ, ИМЕЮЩИЙ ВПУСКНОЙ И ВЫПУСКНОЙ ВКЛАДЫШИ ДЛЯ ФОРМИРОВАНИЯ ОХЛАЖДАЮЩЕГО КОНТУРА, И ТУРБИНА Российский патент 2016 года по МПК F01D5/08 F01D25/12 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

[0001] Изобретение, описанное в данном документе, относится в целом к турбинам. В частности, данное изобретение относится к ротору турбины, имеющему впускной и выпускной вкладыши для формирования охлаждающего контура турбины.

ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0002] Паротурбинные установки рассчитаны на высокие температуры пара для обеспечения работы с максимальной производительностью. Однако высокие температуры пара в сочетании с нагрузкой на ротор, обусловленной центробежной силой, вызывают пластическую деформацию материала ротора. Для создания барабанного ротора могут использоваться термостойкие материалы, но, к сожалению, использование таких материалов существенно повышает стоимость изготовления барабанного ротора. Срок службы барабанного ротора может быть увеличен без повышения стоимости изготовления путем эффективного охлаждения ротора во время работы.

[0002а] Одно из таких решений, описанное в патентном документе JP 7189739 А, 28.07.1995, Манабу и др., включает ротор турбомашины, составленный из множества дисков, промежуточных элементов и частей наружного корпуса ротора. Указанные компоненты соединены вместе, с обеспечением их соосности, таким образом, что они совместно образуют ротор, причем внутри этого ротора сформирована полость, проходящая вдоль оси ротора, которая вместе с каналами, предусмотренными между компонентами ротора, образует каналы для охлаждения ротора, выходящие на наружную поверхность ротора, к местам установки лопаток рабочих колес. Охлаждающую текучую среду подают в осевой входной канал внутрь ротора, после чего охлаждающая среда, проходя по системе впускных каналов между компонентами ротора, поступает к основаниям рабочих лопаток. Нагретая охлаждающая среда отводится по выпускным каналом из ротора. Однако реализация охлаждающего контура, описанного в этом документе, требует изготовления ротора сложной конструкции, состоящей из множества элементов, которые необходимо тщательно выравнивать друг с другом для получения необходимой соосности и сбалансированности ротора. При этом наружный диаметр ротора увеличивается вследствие формирования охлаждающих каналов во внутренней полости ротора. Из-за того, что ротор имеет полую конструкцию и составлен из множества соединенных в осевом направлении компонентов, существенно снижается продольная жесткость ротора.

[00026] Еще одно решение для охлаждения ротора, описанное в патентном документе US 6393829 В2, 14.02.2002, Шинья и др., также предусматривает формирование полого ротора из соосно соединенных друг с другом двух корпусных частей ротора и множества установленных между ними дисков, имеющих осевые и радиальные каналы. В данном решении формирование охлаждающего контура и его функционирование по существу аналогичны предыдущему рассмотренному решению, при этом данному устройству присущи все вышеупомянутые недостатки, связанные с усложнением конструкции и ухудшением характеристик ротора.

[0002в] Таким образом, существует необходимость в создании ротора турбины, имеющего эффективную систему охлаждения, которая не приводила бы к чрезмерному усложнению и удорожанию конструкции ротора и к ухудшению прочностных, динамических и массогабаритных характеристик ротора.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0003] Задачей настоящего изобретения является создание усовершенствованной конструкции ротора турбины, которая позволяет устранить недостатки известных устройств и, в частности, обеспечивает эффективное охлаждение ротора без ухудшения прочностных, динамических и массогабаритных характеристик ротора. Другой задачей является упрощение и удешевление конструкции ротора, формирующей охлаждающей контур.

[0004] Указанные выше задачи решены посредством предложенного ротора турбины, имеющего, помимо дугообразных замковых пазов, предназначенных для вставки в них рабочих лопаток, осевые замковые пазы, предназначенные для вставки в них вкладышей (впускных и выпускных) для охлаждающего контура. Указанные вкладыши содержат осевой и радиальные охлаждающие каналы для формирования охлаждающего контура и, соответственно, подачи охлаждающей текучей среды из нижнего по потоку местоположения по первичному тракту к замковым пазам вкладышей и отвода охлаждающей текучей среды от замковых пазов вкладышей.

[0005] В первом аспекте изобретения предложен ротор турбины, имеющий впускной и выпускной вкладыши для формирования охлаждающего контура. В указанном роторе впускной вкладыш расположен в первом осевом замковом пазу ротора и имеет радиальный охлаждающий канал для приема текучей среды из нижнего по потоку местоположения по первичному тракту турбины, осевой канал, проходящий в нижней части впускного вкладыша от радиального охлаждающего канала, и радиальные каналы, которые проходят от осевого канала и каждый из которых проходит ко дну дугообразного замкового паза впускного вкладыша. Выпускной вкладыш расположен во втором осевом замковом пазу ротора и имеет радиальные каналы, каждый из которых проходит от дна дугообразного замкового паза выпускного вкладыша, осевой канал, проходящий в нижней части выпускного вкладыша от радиальных каналов, и выпускной канал, проходящий от осевого канала.

[0006] Во втором аспекте изобретения предложена турбина, содержащая ротор, статор, по существу окружающий ротор, и впускной вкладыш, расположенный в первом осевом замковом пазу ротора. Впускной вкладыш имеет радиальный охлаждающий канал для приема текучей среды из нижнего по потоку местоположения по первичному тракту турбины, осевой канал, проходящий в нижней части впускного вкладыша от радиального охлаждающего канала, и радиальные каналы, которые проходят от осевого канала и каждый из которых проходит ко дну дугообразного замкового паза впускного вкладыша. Кроме того, турбина содержит выпускной вкладыш, расположенный во втором осевом замковом пазу ротора и имеющий радиальные каналы, каждый из которых проходит от дна дугообразного замкового паза выпускного вкладыша, осевой канал, проходящий в нижней части выпускного вкладыша от радиальных каналов, и выпускной канал, проходящий от осевого канала.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

[0007] Эти и другие особенности данного изобретения станут более понятны из нижеследующего подробного описания различных аспектов изобретения при его рассмотрении совместно с прилагаемыми чертежами, которые изображают различные варианты выполнения и на которых

[0008] фиг. 1 изображает частичный разрез паротурбинной установки в соответствии с вариантом выполнения изобретения,

[0009] фиг. 2 изображает вид в аксонометрии впускного вкладыша в соответствии с вариантом выполнения изобретения,

[0010] фиг. 3 изображает частичный вид в аксонометрии ротора, содержащего впускной вкладыш в соответствии с вариантом выполнения изобретения,

[0011] фиг. 4 изображает частичный разрез паротурбинной установки в соответствии с вариантом выполнения изобретения,

[0012] фиг. 5 изображает вид в аксонометрии выпускного вкладыша в соответствии с вариантом выполнения изобретения,

[0013] фиг. 6 изображает частичный вид в аксонометрии ротора, содержащего выпускной вкладыш в соответствии с вариантом выполнения изобретения,

[0014] фиг. 7 изображает частичный вид в аксонометрии ротора, содержащего впускной вкладыш и выпускной вкладыш в соответствии с вариантом выполнения изобретения.

[0015] Следует отметить, что чертежи изобретения выполнены не в масштабе. Данные чертежи предназначены для отображения только типичных аспектов изобретения и, следовательно, не должны рассматриваться как ограничивающие объем изобретения. На чертежах одинаковые номера позиций обозначают одинаковые элементы.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0016] На фиг. 1 изображен частичный разрез турбинной установки 100 в соответствии с вариантом выполнения изобретения. В данном документе для описания аспектов изобретения используется пример паровой турбины. Следует понимать, что паровая турбина является лишь одним примером турбинной установки, к которой могут быть применены принципы изобретения. В любом случае, использование выражения «паровая турбина» не ограничивает принципы изобретения установками данного конкретного типа.

[0017] Паровая турбина 100 может содержать барабанный ротор 10 (частично показанный на фиг. 1) и статор 15 (частично показанный на фиг. 1), по существу окружающий барабанный ротор 10. Барабанный ротор 10 имеет по меньшей мере один по существу дугообразный замковый паз 40, проходящий вдоль его наружной периферии. В по меньшей мере одном пазу 40 закреплена лопатка 12. Барабанный ротор 10 может содержать несколько лопаток 12 и несколько по существу дугообразных замковых пазов 40. Если барабанный ротор 10 содержит несколько лопаток 12, как показано на фиг. 1, то каждая лопатка 12 закреплена в по существу дугообразном замковом пазу 40.

[0018] Статор 15 содержит по меньшей мере одно сопло 17, закрепленное в сопловом пазу 19. Как показано на фиг. 1, статор 15 может содержать несколько сопел 17, причем каждое сопло 17 может быть закреплено в сопловых пазах 19. Сопла 17 и лопатки 12 могут проходить в радиальном направлении соответственно от статора 15 и барабанного ротора 10 так, что сопла 17 и лопатки 12 расположены с чередованием вдоль осевой длины паровой турбины 100. Текучая среда, например пар, может быть направлена к нижнему по потоку местоположению 14 по первичному тракту 5 для приведения ротора 10 во вращение.

[0019] Как показано на фиг. 1-3, в соответствии с одним вариантом выполнения изобретения паровая турбина 100 может содержать впускной вкладыш 20. Как указано выше, фиг. 1 изображает частичный разрез паровой турбины 100 в соответствии с вариантом выполнения изобретения. Фиг. 2 изображает вид в аксонометрии впускного вкладыша 20 в соответствии с вариантом выполнения изобретения. Фиг. 3 изображает частичный вид в аксонометрии ротора 10, содержащего впускной вкладыш 20 в соответствии с вариантом выполнения изобретения.

[0020] Как лучше всего видно на фиг. 2, впускной вкладыш 20 имеет радиальный охлаждающий канал 50. Указанный канал 50 принимает текучую среду от нижнего по потоку местоположения 14 (фиг. 1). Радиальный охлаждающий канал 50 расположен в роторном выступе 13 впускного вкладыша 20. Впускной вкладыш 20 также имеет осевой канал 52 и радиальные каналы 54. Осевой канал 52 расположен в нижней части 51 вкладыша 20 и проходит от радиального охлаждающего канала 50. Радиальные каналы 54 проходят от осевого канала 52 по всей его длине ко дну дугообразного замкового паза 41, выполненного во впускном вкладыше 20. Несмотря на то что показан впускной вкладыш 20, имеющий только три радиальных канала 54, впускной вкладыш 20 может иметь любое количество радиальных каналов 54, расположенных по его длине.

[0021] Как показано на фиг. 3, ротор 10 может иметь первый осевой замковый паз 60. Впускной вкладыш 20 выполнен с возможностью установки в первый осевой замковый паз 60, выполненный в роторе 10. Первый осевой паз 60 может быть выполнен в каждом выступе 11 ротора. Указанные выступы 11 проходят от ротора 10 в радиальном направлении с образованием по существу дугообразных замковых пазов 40. Впускной вкладыш 20 вставлен в первый осевой замковый паз 60 барабанного ротора 10 с обеспечением совмещения дугообразного паза 41 вкладыша 20 с по существу дугообразным пазом 40 ротора 10, т.е. с образованием единого дугообразного замкового паза 40. Аналогичным образом, впускной вкладыш 20 может быть вставлен с обеспечением совмещения выступов 11 ротора 10 с выступами 13 вкладыша 20, т.е. с образованием единого роторного выступа 11.

[0022] Как лучше всего видно на фиг. 2-3, впускной вкладыш 20 имеет первое удерживающее ребро 53 и второе удерживающее ребро 55, расположенные в нижней части вкладыша 20. Первое удерживающее ребро 53 и второе удерживающее ребро 55 обеспечивают удерживание вкладыша 20 в первом осевом пазу 60.

[0023] В процессе работы, как видно из фиг. 1, поступающая от нижнего по потоку местоположения 14 текучая среда, которая холоднее, чем текучая среда в верхнем по потоку местоположении 16, проходит вниз через радиальный охлаждающий канал 50 в осевой канал 52. Затем текучая среда проходит вверх через радиальные каналы 54 к дну дугообразного паза 40. В дне паза 40 имеется дугообразный канал 56, так что текучая среда из нижнего по потоку местоположения проходит вокруг ротора 10 с обеспечением, таким образом, его охлаждения. Впускной вкладыш 20 обеспечивает охлаждение ротора 10 в осевом направлении (через осевой канал 52), в радиальном направлении (через радиальные каналы 54) и по периферии (через дугообразные каналы 56).

[0024] Как показано на фиг. 4-6, в соответствии с одним вариантом выполнения изобретения паровая турбина 100 может содержать выпускной вкладыш 80. Фиг. 4 изображает частичный разрез паровой турбины 100 в соответствии с вариантом выполнения изобретения. Фиг. 5 изображает вид в аксонометрии выпускного вкладыша 80 в соответствии с вариантом выполнения изобретения. Фиг. 6 изображает частичный вид в аксонометрии ротора 10, содержащего выпускной вкладыш 80 в соответствии с вариантом выполнения изобретения.

[0025] Как лучше всего видно на фиг. 5, выпускной вкладыш 80 имеет радиальные каналы 70. Каждый радиальный канал 70 проходит от дна дугообразного замкового паза 42 выпускного вкладыша 80. Вкладыш 80 также имеет осевой канал 72 и выпускной канал 73. Осевой канал 72 проходит от радиальных каналов 70 по длине выпускного вкладыша 80 в его нижней части. Выпускной канал 73 отходит от осевого канала 72. Несмотря на то, что показан выпускной вкладыш 80, имеющий только три радиальных канала 70, следует понимать, что выпускной вкладыш 80 может иметь любое количество радиальных каналов 70, расположенных по его длине. Кроме того, выпускной вкладыш 80 может иметь роторные выступы 85.

[0026] Как показано на фиг. 6, барабанный ротор 10 может иметь второй осевой замковый паз 61. Выпускной вкладыш 80 выполнен с возможностью установки во второй осевой паз 61, выполненный в роторе 10. Второй осевой паз 61 может быть выполнен в каждом выступе 11 ротора 10. Как изложено выше, выступы 11 проходят от ротора 10 в радиальном направлении с образованием по существу дугообразных замковых пазов 40. Выпускной вкладыш 80 вставлен во второй осевой замковый паз 61 барабанного ротора 10 с обеспечением совмещения дугообразного паза 42 вкладыша 80 с по существу дугообразным пазом 40 ротора 10, т.е. с образованием единого дугообразного замкового паза 40. Аналогичным образом, выпускной вкладыш 80 может быть вставлен с обеспечением совмещения выступов 11 ротора 10 с выступами 85 вкладыша 80, т.е. с образованием единого роторного выступа 11.

[0027] Как лучше всего видно на фиг. 5-6, выпускной вкладыш 80 имеет первое удерживающее ребро 81 и второе удерживающее ребро 83, расположенные в нижней части вкладыша 80. Первое удерживающее ребро 81 и второе удерживающее ребро 83 обеспечивают удерживание вкладыша 80 во втором осевом пазу 61.

[0028] В процессе работы, как показано на фиг. 4, текучая среда, уже обеспечившая охлаждение ротора 10 при прохождении через дугообразные каналы 56, проходит вниз по радиальным каналам 70 в осевой канал 72. Затем текучая среда проходит через выпускной канал 73. Из выпускного канала 73 текучая среда может проходить в приемник 90 низкого давления, расположенный выше по потоку. Текучая среда, выпускаемая в приемник 90, может сначала проходить через отверстие 62 уплотнительного кольца 65.

[0029] На фиг. 7 изображен частичный вид в аксонометрии барабанного ротора 10, содержащего впускной вкладыш 20 и выпускной вкладыш 80 в соответствии с вариантом выполнения изобретения. Впускной вкладыш 20 может быть вставлен в первый осевой замковый паз 60, а выпускной вкладыш 80 может быть вставлен во второй осевой замковый паз 61. Первый осевой паз 60 выполнен в первом периферическом местоположении 92 вокруг ротора 10, а второй осевой замковый паз 61 выполнен во втором периферическом местоположении 96 вокруг ротора 10. В данном варианте выполнения впускной вкладыш 20 и выпускной вкладыш 80 образуют полный охлаждающий контур турбины, предназначенный для приема холодной текучей среды (через впускной вкладыш 20) из нижнего по потоку местоположения и выпуска текучей среды (через выпускной вкладыш 80) после охлаждения ротора 10 указанной текучей средой.

[0030] Используемая в данном документе терминология применяется исключительно для описания конкретных вариантов выполнения и не должна считаться ограничивающей изобретение. Подразумевается, что используемые формы единственного числа также охватывают формы множественного числа, если из контекста с очевидностью не следует иное. Следует также понимать, что используемые в данном описании термины «содержит» и/или «содержащий» указывают на наличие перечисленных признаков, чисел, этапов, операций, элементов и/или компонентов, но не исключают наличие или добавление одного или более других признаков, чисел, этапов, операций, элементов, компонентов и/или их групп.

[0031] В предложенном описании примеры используются для раскрытия данного изобретения, в том числе предпочтительного варианта выполнения, а также для обеспечения возможности реализации изобретения на практике, включая изготовление и использование любых устройств и установок и осуществление любых соответствующих или предусмотренных способов, любым специалистом. Объем правовой охраны изобретения определен формулой изобретения и может охватывать другие примеры, очевидные специалистам в данной области техники. Подразумевается, что такие другие примеры находятся в рамках объема формулы изобретения, если они содержат конструктивные элементы, не отличающиеся от описанных в дословном тексте формулы, или конструктивные элементы, незначительно отличающиеся от описанных в дословном тексте формулы.

Ротор турбины включает впускной и выпускной вкладыши для формирования охлаждающего контура. Впускной вкладыш расположен в первом осевом замковом пазу ротора и имеет радиальный охлаждающий канал, осевой канал и радиальные каналы. Радиальный охлаждающий канал обеспечивает прием текучей среды из нижнего по потоку местоположения по первичному тракту турбины, осевой канал проходит в нижней части впускного вкладыша от радиального охлаждающего канала, а радиальные каналы проходят от осевого канала и каждый из которых проходит ко дну дугообразного замкового паза впускного вкладыша. Выпускной вкладыш расположен во втором осевом замковом пазу ротора и имеет радиальные каналы, осевой канал и выпускной канал. Каждый из радиальных каналов проходит от дна дугообразного замкового паза выпускного вкладыша. Осевой канал проходит в нижней части выпускного вкладыша от радиальных каналов, а выпускной канал проходит от осевого канала. Другое изобретение группы относится к турбине, содержащей указанный выше ротор и окружающий его статор. Группа изобретений позволяет повысить эффективность охлаждения ротора турбины и упростить конструкцию его охлаждающего контура. 2 н. и 14 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Ротор турбины, имеющий впускной и выпускной вкладыши для формирования охлаждающего контура, причем в указанном роторе
впускной вкладыш расположен в первом осевом замковом пазу ротора и имеет
радиальный охлаждающий канал для приема текучей среды из нижнего по потоку местоположения по первичному тракту турбины,
осевой канал, проходящий в нижней части впускного вкладыша от радиального охлаждающего канала, и
радиальные каналы, которые проходят от осевого канала и каждый из которых проходит ко дну дугообразного замкового паза впускного вкладыша, и
выпускной вкладыш расположен во втором осевом замковом пазу ротора и имеет
радиальные каналы, каждый из которых проходит от дна дугообразного замкового паза выпускного вкладыша,
осевой канал, проходящий в нижней части выпускного вкладыша от радиальных каналов, и
выпускной канал, проходящий от осевого канала.

2. Ротор турбины по п. 1, в котором впускной вкладыш и выпускной вкладыш имеют первое удерживающее ребро и второе удерживающее ребро, расположенные в нижней части впускного вкладыша и выпускного вкладыша и предназначенные для удерживания впускного вкладыша и выпускного вкладыша соответственно в первом и втором осевых замковых пазах.

3. Ротор турбины по п. 1, в котором каждый из впускного вкладыша и выпускного вкладыша имеет по меньшей мере один роторный выступ, выполненный с возможностью совмещения с по меньшей мере одним выступом ротора.

4. Ротор турбины по п. 3, в котором дугообразный замковый паз впускного вкладыша и дугообразный замковый паз выпускного вкладыша выполнены с возможностью совмещения с по существу дугообразным замковым пазом ротора.

5. Ротор турбины по п. 3, в котором радиальный охлаждающий канал расположен в указанном по меньшей мере одном роторном выступе впускного вкладыша.

6. Ротор турбины по п. 1, в котором выпускной канал проходит в осевом направлении в нижней части выпускного вкладыша.

7. Ротор турбины по п. 1, в котором выпускной канал обеспечивает выпуск текучей среды в приемник низкого давления, расположенный выше по потоку.

8. Турбина, содержащая
ротор,
статор, по существу окружающий ротор,
впускной вкладыш, расположенный в первом осевом замковом пазу ротора и имеющий
радиальный охлаждающий канал для приема текучей среды из нижнего по потоку местоположения по первичному тракту турбины,
осевой канал, проходящий в нижней части впускного вкладыша от радиального охлаждающего канала, и
радиальные каналы, которые проходят от осевого канала и каждый из которых проходит ко дну дугообразного замкового паза впускного вкладыша, и
выпускной вкладыш, расположенный во втором осевом замковом пазу ротора и имеющий
радиальные каналы, каждый из которых проходит от дна дугообразного замкового паза выпускного вкладыша,
осевой канал, проходящий в нижней части выпускного вкладыша от радиальных каналов, и
выпускной канал, проходящий от осевого канала.

9. Турбина по п. 8, в которой впускной вкладыш имеет первое удерживающее ребро и второе удерживающее ребро, расположенные в нижней части впускного вкладыша и предназначенные для его удерживания в первом осевом замковом пазу ротора.

10. Турбина по п. 8, в которой выпускной вкладыш имеет первое удерживающее ребро и второе удерживающее ребро, расположенные в нижней части выпускного вкладыша и предназначенные для его удерживания во втором осевом замковом пазу ротора.

11. Турбина по п. 8, в которой первый осевой замковый паз ротора выполнен в первом периферическом местоположении, а второй осевой замковый паз ротора выполнен во втором периферическом местоположении.

12. Турбина по п. 8, в которой каждый из впускного вкладыша и выпускного вкладыша имеет по меньшей мере один роторный выступ, выполненный с возможностью совмещения с по меньшей мере одним выступом ротора.

13. Турбина по п. 12, в которой дугообразный замковый паз впускного вкладыша и дугообразный замковый паз выпускного вкладыша выполнены с возможностью совмещения с по существу дугообразным замковым пазом ротора.

14. Турбина по п. 13, в которой радиальный охлаждающий канал расположен в указанном по меньшей мере одном роторном выступе впускного вкладыша.

15. Турбина по п. 8, в которой выпускной канал проходит в осевом направлении в нижней части выпускного вкладыша.

16. Турбина по п. 8, в которой выпускной канал обеспечивает выпуск текучей среды в приемник низкого давления, расположенный выше по потоку.