КОРПУС ТУРБОМАШИНЫ, ПО МЕНЬШЕЙ МЕРЕ, С ОДНОЙ КРЫШКОЙ, ТУРБОМАШИНА И СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КРЫШКИ Российский патент 2021 года по МПК F01D25/24 F04D17/12 F04D29/42 

Изобретение относится к корпусу турбомашины, в частности радиальной турбомашины, которая передает техническую работу на технологическую текучую среду или от технологической текучей среды, включающему в себя:

- рубашку, имеющую, в основном, цилиндрическую форму, причем цилиндрическая форма проходит вдоль оси,

- первую крышку, аксиально съемно закрепленную на первой торцевой стороне корпуса турбомашины, закрывая ее,

- приток, обеспечивающий затекание технологической текучей среды в корпус турбомашины,

- сток, обеспечивающий вытекание технологической текучей среды из корпуса турбомашины.

Кроме того, изобретение относится к способу изготовления такой крышки корпуса турбомашины и турбомашине с таким корпусом.

Большинство турбомашин испытывают направленное в осевом направлении вала натекание технологической текучей среды на лопаточный аппарат или рабочие колеса. Затекание в корпус турбомашины с крышкой описанного выше типа происходит обычно большей частью в радиальном направлении. Для этого корпус турбомашины содержит, как правило, ориентированный радиально к оси вращения приточный патрубок. Другая возможность, не являющаяся объектом изобретения, предусматривает, что, например, рабочее колесо центробежного компрессора в целях осевого притока консольно установлено на конце вала, как это известно, например, у компрессоров для редукторных компрессоров. Радиальный входной патрубок на корпусе связан с относительно высокими расходами для этой сложной геометрии и значительно увеличивает потребность в радиальном конструктивном пространстве. К тому же необходимое отклонение из радиального направления в осевое направление для притока к лопаточному аппарату или рабочим колесам, с одной стороны, связано с потерями, а, с другой стороны, расходует осевое и радиальное конструктивные пространства.

Из документов WO 2016/041841 A1, US 3131877 A, US 2760719 A, US 979634 А, GB 780463 A, US 2775945 A, US 2017/082070 A1 частично известно выполнение крышки с интегрированными гидролиниями для различных целей.

Задачей изобретения является устранение таких недостатков. Для решения задачи изобретения предложены крышка, корпус турбомашины, способ изготовления крышки и турбомашина описанного выше рода с соответственно охарактеризованными в формуле изобретения дополнительными отличительными признаками. Связующим элементом изобретения является предложенная крышка, причем подчиненные зависимые пункты формулы включают в себя предпочтительные варианты осуществления изобретения.

Такие термины, как «аксиально», «радиально», «тангенциально» или «направление периферии», относятся всегда к центральной оси отверстия крышки или оси проходящего через отверстие крышки вала в случае уже собранной турбомашины.

Под главной долей технологической текучей среды следует понимать долю, по меньшей мере, 51%, предпочтительно, по меньшей мере, 80%, особенно предпочтительно 100%. В одном предпочтительном варианте осуществления изобретения предусмотрено, что предусмотрена выполненная в виде притока или стока технологической текучей среды гидролиния в качестве неотъемлемой составной части крышки, так что главная доля технологической текучей среды направляется снаружи через приток крышки внутрь корпуса турбомашины или что главная доля технологической текучей среды через сток крышки направляется изнутри корпуса турбомашины наружу.

За счет того, что предложенная крышка содержит интегрированную гидролинию, выполненную в виде притока или стока, соответствующие корпуса турбомашин, содержащие подобную крышку, могут быть выполнены без традиционного притока или стока. Особое преимущество предложенной новой функциональной модульности заключается не только в том, что на рубашке корпуса можно отказаться от соответствующей гидролинии, если она предусмотрена на предложенной крышке, но и в том, что вследствие подачи технологической текучей среды в зону крышки технологическая текучая среда еще перед поступлением в турбомашину лучше ориентирована в направлении притока к лопаточному аппарату или к рабочим колесам. Другими словами, согласно изобретению, подача технологической текучей среды к турбомашине с предложенной крышкой уже значительно более аксиальна, чем при традиционном радиальном притоке через радиальный входной патрубок.

В одном предпочтительном варианте осуществления изобретения предусмотрено, что крышка содержит питающие линии для газового уплотнения и/или масляного нагревателя и/или датчики, в частности датчики давления, в качестве интегрированных в крышку составных частей. Это устройство особенно целесообразно, поскольку крышка может быть особенно предпочтительно держателем уплотнения вала и/или держателем радиального подшипника и/или местом установки датчиков давления и/или датчиков температуры.

В другом предпочтительном варианте осуществления изобретения предусмотрено, что интегрированная гидролиния содержит каналы, разделяющие весь поток технологической текучей среды на частичные потоки. Эта разделяющая таким образом канальная структура обеспечивает особенно целесообразно гидроподготовку технологической текучей среды к притоку к последующему аэродинамическому компоненту. Это, как правило, вращающийся конструктивный элемент, например рабочее колесо радиального компрессора или аксиальный лопаточный аппарат. При этом отдельные каналы могут быть отделены друг от друга в направлении периферии только направляющими лопатками или же в виде каналов в более узком смысле могут быть выполнены с отделяющими в направлении периферии, более массивными стенками. Таким образом, можно придать вытекающей из каналов технологической текучей среде определенное завихрение, которое заботится об оптимальном притоке к ротору.

В другом предпочтительном варианте осуществления изобретения предусмотрено, что нижняя часть кронштейна для поддержания радиального подшипника для проходящего вдоль оси вала выполнена в виде неотъемлемой составной части крышки.

У турбомашины, содержащей корпус с расположенной на торцевой стороне крышкой, последняя должна выполнять многочисленные функции. Как правило, эти функции требуют подводящих и отводящих линий для различных рабочих текучих сред и, помимо этого, также вводов для питающих линий для электрического тока и для сигнальных линий. Сама крышка может быть также держателем многочисленных, питаемых посредством этих линий агрегатов. Например, крышка может быть держателем уплотнения вала и опоры вала, в частности держателем радиального подшипника. Если питающие линии для этих агрегатов прокладываются, по меньшей мере, частично через объем крышки, то обычно в крышке предусматриваются расточки для соответствующего направления линии. Это очень трудоемкое дело, тем более что соответствующие расточки возможны только с прямой осью направления и при каждом повороте направления линии приходится выполнять отдельную расточку, которую зачастую приходится закрывать, поскольку для направления линии требуется лишь осевой участок расточки.

Традиционное изготовление предложенной крышки резанием является относительно сложным и трудоемким. Предпочтительной возможностью, согласно изобретению, является изготовление крышки или частей литейной формы крышки по аддитивной технологии. Особые степени свободы при объемно-геометрическом получении свободных трехмерных форм посредством аддитивной технологии могут быть очень хорошо использованы, т.к. таким образом без компромиссов можно осуществить гидродинамическую оптимизацию гидролинии для притока или стока технологической текучей среды к турбомашине через крышку. Помимо этого, можно оптимально проложить в оставшихся объемных свободных пространствах соответствующие питающие линии в качестве неотъемлемой составной части крышки для уплотнений вала, радиальных подшипниковых опор, масляного нагревателя и различных датчиков. Питающие линии для питания уплотнения вала или газового уплотнения, для масляного нагревателя могут быть в виде линий - сопоставимо со шлангами - проложены в объеме крышки, так что для оптимизации гидролинии для технологической текучей среды почти нет никаких ограничений. Подвод технологической текучей среды, который, согласно изобретению, в виде гидролинии является неотъемлемой составной частью крышки, может быть геометрически выполнен посредством современных оптимизаторов потока таким образом, что технологическая текучая среда направляется сначала в предусмотренный в крышке кольцевой коллектор, который затем разделяет весь поток технологической текучей среды на различные частичные потоки и распределяет их по примыкающим каналам для подачи к направляющему течение ротору турбомашины. Особенно предпочтительно кольцевой коллектор имеет непостоянное вдоль периферии сечение. Целесообразно кольцевой коллектор выполнен в зоне притока технологической текучей среды наиболее просторным.

Интегрированная в крышку гидролиния в случае подвода технологической текучей среды к ротору может направлять ее аксиально непосредственно перед, например, перед первым рабочим колесом радиального компрессора, так что, с одной стороны, происходит оптимизированный приток, а, с другой стороны, возникает большая экономия осевого конструктивного пространства.

Ниже изобретение более подробно описано на специальном примере его осуществления со ссылкой на чертежи, на которых представлено следующее:

- фиг.1: схематичный продольный разрез крышки вдоль оси;

- фиг.2: схематичный осевой продольный разрез турбомашины с корпусом.

На фиг.1 схематично изображен продольный разрез крышки 1 предложенного корпуса 2, как она изображена в связи с турбомашиной 3 на фиг.2. Турбомашина 3 выполнена в виде радиальной турбомашины, причем изобретение, в принципе, применимо также в осевых турбомашинах. Одинаковые ссылочные позиции на фигурах обозначают соответственно функционально-идентичные элементы.

Изображенной на фиг.2 турбомашиной 3 является радиальный компрессор, который передает техническую работу на технологическую текучую среду 4. Конкретно технологическая текучая среда 4 при протекании ускоряется рабочими колесами 5 ротора 6 и затормаживается в диффузорах за соответствующими рабочими колесами 5, повышая давление. После затекания технологическая текучая среда 4 течет через приток 7 в турбомашину 3 вплоть до вытекания из нее через сток 8. В принципе, изобретение возможно также для обратного процесса - расширения технологической текучей среды с совершением технической работы.

Изображенная на фиг.1 крышка 1 имеет проходящее вдоль оси X отверстие 9. Для осевого ввода, проходящего вдоль этой оси X вала 10, как это показано также на фиг.2. Для прилегания к рубашке 11 корпуса 2 крышка имеет проходящую вдоль направления 12 периферии к оси X поверхность 13 прилегания. Она служит, с одной стороны, для механического сопротивления против разности внутреннего и окружающего давлений при работе турбомашины 3, а, с другой стороны, - для герметизации от вытекания технологической текучей среды 4 из турбомашины 3 в окружающее пространство. В целях герметизации здесь могут быть предусмотрены также уплотнительные элементы (не показаны).

Крышка 1 имеет предусмотренную в качестве притока 7 или стока 8 технологической текучей среды 4 гидролинию 14 как неотъемлемую составную часть крышки 1. На фиг.2 слева предусмотрена первая крышка 15, которая показывает, что соответствующая крышка 1 имеет предусмотренную в качестве притока 7 гидролинию 14, а справа показана вторая крышка 16, которая показывает тот случай, когда гидролиния 14, интегрированная в крышку 1, выполнена в качестве стока 8 для технологической текучей среды 4. Первая крышка 15 находится на первой торцевой стороне 17 корпуса 2, а вторая крышка 16 - на второй торцевой стороне 18.

На фиг.1 изображена первая крышка 15 с выполненной в качестве притока 7 гидролинией 14 для технологической текучей среды 4, расположенная на фиг.2 на первой торцевой стороне 17. Крышка 1 или первая крышка 15, изображенная на фиг.1, изготовлена по аддитивной технологии, как и вторая крышка 16. Этот способ изготовления обеспечивает особенно свободное оформление трехмерной геометрии различных функциональных элементов крышки 1. Первая крышка 15 является держателем дополнительных функциональных элементов, например, масляного нагревателя 19, радиального подшипника 20 и уплотнения 21 вала, выполненного в виде газового уплотнения. Предусмотрены питающие линии 22 для уплотнения 21 вала, радиального подшипника 20 и датчиков 23 датчика 24 температуры и датчика 25 давления для измерения температуры и давления в притоке 7. Масляный нагреватель 19 подготавливает масло для питания радиального подшипника 20, причем питающие линии 22 для этого масляного нагревателя 19 являются неотъемлемой составной частью крышки 1. Эти питающие линии 22 для этого масляного нагревателя 19 могут, с одной стороны, питать электронагреватель, а, с другой стороны, подавать нагретую текучую среду к масляному нагревателю 19 или отводить от него.

Питающая линия 14, которая может быть выполнена в качестве притока 7 или стока 8, включает в себя коллектор 26 (кольцевой коллектор), который проходит вокруг оси X, в основном, кольцеобразно в направлении 27 периферии, и идущие от этого коллектора отдельные каналы 28, которые подают к последующему лопаточному аппарату или рабочим колесам 5 ротора 6 технологическую текучую среду 4 с гидродинамически оптимальной ориентацией. Коллектор 26 имеет непостоянное вдоль периферии сечение.

Группа изобретений относится к корпусу (2) турбомашины, к способу изготовления крышки (1) корпуса (2) и турбомашине с корпусом (2). Корпус (2) турбомашины включает в себя проходящее вдоль оси (X) отверстие для осевого ввода проходящего вдоль этой оси (X) вала (10) и проходящую вдоль направления периферии к оси (X) поверхность прилегания к рубашке (11) корпуса (2). Предусмотренная в качестве притока (7) или стока (8) технологической текучей среды (4) гидролиния (14) выполнена как неотъемлемая составная часть крышки (1). Группа изобретений направлена на выполнение компактного корпуса (2) турбомашины и оптимального изготовления крышки (1). 3 н. и 5 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Корпус (2) турбомашины, которая выполнена с возможностью передачи технической работы на технологическую текучую среду (4) или от технологической текучей среды, содержащий:

- рубашку (11), имеющую, в основном, цилиндрическую форму, причем цилиндрическая форма проходит вдоль оси (X),

- первую крышку (15), аксиально съемно закрепленную на первой торцевой стороне (17) корпуса (11) турбомашины, закрывая ее,

- приток (7), обеспечивающий затекание технологической текучей среды (4) в корпус (2) турбомашины,

- сток (8), обеспечивающий вытекание технологической текучей среды (4) из корпуса (2) турбомашины,

причем первая крышка (15) содержит:

- проходящее вдоль оси (X) отверстие (9) для осевого ввода проходящего вдоль этой оси (X) вала (10),

- проходящую вдоль направления (27) периферии к оси (X) поверхность (13) прилегания к рубашке (11) корпуса (2) турбомашины,

причем предусмотренная в качестве притока (7) или стока (8) технологической текучей среды (4) гидролиния (14) выполнена как неотъемлемая составная часть крышки (1),

отличающийся тем, что крышка (1) посредством поверхности (13) прилегания расположена внутри рубашки (11) корпуса, причем крышка (1) поверхностью (13) прилегания расположена на осевой внутренней поверхности радиального внутреннего фланца рубашки (11) корпуса.

2. Корпус (2) по п. 1, причем в крышку (1) интегрированы питающие линии (22) для уплотнения вала, в частности газового уплотнения (21) и/или опоры вала и/или масляного нагревателя (19) и/или датчиков (23), в частности датчиков (25) давления.

3. Корпус (2) по п. 1 или 2, причем гидролиния (14) содержит каналы (28), разделяющие весь поток технологической текучей среды (4) на частичные потоки.

4. Корпус (2) по п. 3, причем каналы (28) выполнены с возможностью придания вытекающей из них технологической текучей среде (4) заданного завихрения.

5. Корпус (2) по любому из пп. 1-4, причем нижняя часть кронштейна для поддержания радиального подшипника (20) для проходящего вдоль оси (X) вала (10) выполнена в виде неотъемлемой составной части крышки (1).

6. Корпус (2) по любому из пп. 1-5, причем крышка (1) или части литейной формы крышки (1) изготовлены по аддитивной технологии.

7. Способ изготовления крышки (1) корпуса (2) турбомашины по любому из пп. 1-6, причем крышку (1) или части литейной формы крышки (1) изготавливают по аддитивной технологии.

8. Турбомашина (3), содержащая ротор (6) и корпус (2), причем корпус (2) турбомашины выполнен по любому из пп. 1-6.