ЛОПАТКИ РЕГУЛИРУЕМОГО ВХОДНОГО НАПРАВЛЯЮЩЕГО АППАРАТА ДЛЯ ТУРБОМАШИНЫ, СОДЕРЖАЩАЯ ИХ ТУРБОМАШИНА И СПОСОБ Российский патент 2025 года по МПК F01D17/16 F04D29/46 F04D29/62 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

[1] Настоящее изобретение относится к области турбомашин, например, в частности, но не ограничиваясь этим, к центробежным компрессорам. В частности настоящее изобретение относится к лопаткам регулируемого входного направляющего аппарата для турбомашин, например центробежных компрессоров, и способам установки и монтажа упомянутых лопаток регулируемого входного направляющего аппарата в турбомашину.

ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[2] Турбомашины по существу содержат канал прохождения потока для текучей среды, содержащий впускной патрубок, одну или более крыльчаток, выполненных с возможностью вращения в корпусе, и выпускной патрубок. В компрессорах, например центробежных компрессорах, механическая энергия используется для вращения крыльчаток и сжатия текучей среды, в то время как в детандерах сжатая текучая среда расширяется и приводит во вращение крыльчатки для продуцирования механической энергии.

[3] Некоторые турбомашины, например центробежные компрессоры, содержат лопатки регулируемого входного направляющего аппарата (сокращенно также называемые лопатки ВНА), расположенные на впуске первой, то есть самой верхней по потоку крыльчатки. Геометрия лопаток входного направляющего аппарата выполнена с возможностью регулирования и изменения для максимального повышения производительности турбомашины при изменении ее рабочих условий, например, когда скорость вращения увеличивается или уменьшается по отношению к расчетной рабочей точке.

[4] Предусмотрена система активации или система для одновременного воздействия на каждую лопатку входного направляющего аппарата и изменения ее наклона в соответствии с потребностями. Лопатки регулируемого входного направляющего аппарата и соответствующая система активации представляют собой сложные механические компоненты, которые собирают в корпусе турбомашины, обычно между впускной камерой и впускной стороной первой крыльчатки.

[5] Было бы целесообразно упростить конструкцию лопатки регулируемого ВНА и соответствующую систему активации, а также упростить и ускорить их сборку.

ИЗЛОЖЕНИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[6] Согласно одному аспекту, для преодоления или смягчения недостатков систем лопатки регулируемого ВНА, известных из текущего уровня техники, в настоящем документе раскрыто устройство лопатки регулируемого входного направляющего аппарата для турбомашины, включающее дискообразный элемент в комбинации с кольцевым элементом, соосным дискообразному элементу и образующим с ним блок. Между дискообразным элементом и кольцевым элементом прикреплен с возможностью поворота набор лопаток регулируемого входного направляющего аппарата.

[7] Каждая лопатка регулируемого входного направляющего аппарата содержит первый поворотный штифт и второй поворотный штифт. Каждый первый поворотный штифт шарнирно поддерживается первым подшипником или втулкой, размещенной в дискообразном элементе, а каждый второй поворотный штифт поддерживается вторым подшипником или втулкой, размещенной в кольцевом элементе. Первый и второй поворотные штифты каждой лопатки регулируемого входного направляющего аппарата обычно образуют ось поворота, которая может быть параллельна оси дискообразного элемента и кольцевого элемента.

[8] Каждая лопатка регулируемого входного направляющего аппарата содержит заднюю часть, выполненную за одно целое с поворотным штифтом и с возможностью перемещения вокруг оси поворотного штифта относительно дискообразного элемента и кольцевого элемента. По меньшей мере некоторые из лопаток регулируемого входного направляющего аппарата включают в себя переднюю часть, которая неподвижна относительно дискообразного элемента и кольцевого элемента.

[9] Дискообразный элемент, кольцевой элемент и расположенные между ними лопатки регулируемого входного направляющего аппарата выполнены с возможностью сборки в единый блок, узел или устройство, которое может быть испытано перед установкой в турбомашину. Затем блок может быть установлен в турбомашину в виде подузла с простым и быстрым монтажом.

[10] Дискообразный элемент и кольцевой элемент выполнены с возможностью прикрепления друг к другу с помощью винтов или других крепежных или соединительных элементов.

[11] В вариантах осуществления, описанных в настоящем документе, каждая лопатка регулируемого входного направляющего аппарата может представлять собой так называемую лопатку регулируемого ВНА с закрылком. В указанных вариантах осуществления каждая лопатка регулируемого ВНА может содержать переднюю часть, которая неподвижна относительно дискообразного элемента и кольцевого элемента и формирует передний край лопатки входного направляющего аппарата. Каждая лопатка регулируемого ВНА может дополнительно содержать заднюю часть, формирующую задний край лопатки входного направляющего аппарата. Задняя часть выполнена за одно целое с первым поворотным штифтом и вторым поворотным штифтом. Задняя часть каждой лопатки входного направляющего аппарата выполнена с возможностью поворота вокруг оси первого поворотного штифта и второго поворотного штифта относительно дискообразного элемента и кольцевого элемента.

[12] В соответствии с дополнительным аспектом настоящего изобретения описана турбомашина, в частности центробежный компрессор, содержащая корпус и по меньшей мере одну крыльчатку, поддерживаемую для вращения в корпусе. Турбомашина дополнительно содержит впускную камеру и описанное выше устройство лопатки регулируемого ВНА, расположенное соосно с крыльчаткой и размещенное между впускной камерой и впускной стороной крыльчатки.

[13] В соответствии с дополнительным аспектом в настоящем документе описан способ сборки лопаток регулируемого входного направляющего аппарата для турбомашины, при этом способ включает в себя следующие этапы:

монтаж набора первых подшипников в дискообразном элементе;

монтаж набора вторых подшипников в кольцевом элементе;

жесткое соединение дискообразного элемента и кольцевого элемента друг с другом с размещением между ними множества лопаток регулируемого входного направляющего аппарата. Каждая лопатка регулируемого входного направляющего аппарата содержит первый штифт, поддерживаемый для вращения в первом подшипнике, и второй штифт, поддерживаемый для вращения во втором подшипнике. Дополнительно каждая лопатка регулируемого входного направляющего аппарата содержит заднюю часть, выполненную за одно целое с поворотным штифтом и с возможностью перемещения вокруг оси поворотного штифта относительно дискообразного элемента и кольцевого элемента; и по меньшей мере некоторые из лопаток регулируемого входного направляющего аппарата включают в себя переднюю часть, которая неподвижна относительно дискообразного элемента и кольцевого элемента.

[14] Способ может дополнительно включать этап испытания устройства лопатки регулируемого ВНА или подузла, сформированного таким образом, и, наконец, этап установки устройства лопатки регулируемого ВНА в турбомашину.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ

[15] Ниже кратко описаны сопроводительные графические материалы, причем:

На Фиг. 1 представлен частичный вид в поперечном сечении центробежного компрессора, содержащего устройство лопатки регулируемого ВНА в соответствии с настоящим изобретением;

на Фиг. 1А представлен увеличенный вид части Фиг. 1;

на Фиг. 2 представлен аксонометрический вид устройства лопатки регулируемого ВНА со стороны, обращенной к впускной камере;

на Фиг. 3 представлен аксонометрический вид устройства, показанного на Фиг. 2 со стороны, обращенной к крыльчатке;

на Фиг. 4 представлен вид в разрезе устройства лопатки регулируемого ВНА в соответствии с плоскостью, содержащей его ось;

на Фиг. 5 представлен вид в разрезе вдоль линии V-V на Фиг. 4;

на Фиг. 6 представлен вид в разрезе вдоль линии VI-VI на Фиг. 5; и

на Фиг. 7 представлена блок-схема способа в соответствии с настоящим описанием.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ

[16] В настоящем документе раскрыта новая структура расположения лопаток регулируемого входного направляющего аппарата. Для упрощения конструирования, сборки и испытания системы лопаток регулируемого ВНА лопатки прикреплены с возможностью поворота между двумя соосными компонентами, формируя таким образом единый блок или узел, содержащий два соосных компонента и расположенные между ними лопатки регулируемого входного направляющего аппарата. Блок может дополнительно содержать систему активации для управления угловым перемещением лопаток входного направляющего аппарата.

[17] Блок, содержащий лопатки регулируемого входного направляющего аппарата, два соосных компонента и систему активации, может быть собран и испытан перед установкой в турбомашину в виде ее единого подузла. Таким образом, сборка, испытание и монтаж в турбомашину выполняются быстрее и проще.

[18] Обращаясь к чертежам, на Фиг. 1 и в увеличенном виде на Фиг. 1А представлен вид в разрезе центробежного компрессора, содержащего лопатки регулируемого входного направляющего аппарата, собранный в единое устройство в соответствии с настоящим изобретением. Компрессор 1, показанный на Фиг. 1, представлен в качестве не имеющего ограничительного характера примера осуществления турбомашины, который выполнен с возможностью применения новых лопаток регулируемого входного направляющего аппарата в соответствии с настоящим изобретением. Специалистам в данной области техники будет понятно, что компрессор может существенно отличаться от примера, показанного на Фиг. 1. Специалистам в области турбомашин также будет понятно, что лопатки входного направляющего аппарата, описанные в настоящем документе, могут применяться также в различных типах турбомашин, например детандерах или турбинах.

[19] Компрессор 1 содержит корпус 3, имеющий впускной патрубок 5 и выпускной патрубок 7. В примере осуществления, показанном на Фиг. 1, корпус содержит цилиндр 3A и переднее закупоривающее устройство 3B и имеет вертикально-разъемную конструкцию. В других вариантах осуществления корпус может представлять собой горизонтально-разъемный корпус с двумя частями корпуса, соединенными вдоль плоскости, параллельной оси вращения компрессора.

[20] Вал 11 поддерживается для вращения вокруг оси A-A в корпусе 3. Одна или более крыльчаток компрессора установлены на валу 11 с возможностью совместного с ним вращения. В других вариантах осуществления крыльчатки могут быть выполнены, например, в виде уложенных друг на друга крыльчаток с центральной стягивающей штангой.

[21] В примере осуществления, показанном на Фиг. 1, компрессор 1 содержит первую расположенную выше по потоку крыльчатку 13 и вторую расположенную ниже по потоку крыльчатку 15. Первая диафрагма 17 расположена вокруг первой крыльчатки 13, а вторая диафрагма 19 расположена вокруг второй крыльчатки 19. В качестве не имеющего ограничительного характера примера показано несколько крыльчаток и их расположение.

[22] Канал для потока газа проходит от впускного отверстия 5 компрессора через впускную камеру 21, первую крыльчатку 13 и вторую крыльчатку 15 к выпускному отверстию 7 компрессора. Устройство 23 лопатки регулируемого входного направляющего аппарата расположено между впускной камерой 21 и стороной всасывания или впускной стороной 13А первой крыльчатки 13. Устройство 23 описано более подробно ниже со ссылкой на Фиг. 2, 3, 4, 5 и 6.

[23] Устройство 23 лопатки регулируемого входного направляющего аппарата содержит множество лопаток 25 входного направляющего аппарата, расположенных по окружности вокруг оси A-A устройства 23. При установке в компрессор 1 ось A-A устройства 23 совпадает с осью A-A вращения вала 11.

[24] В проиллюстрированном варианте осуществления каждая лопатка 25 регулируемого входного направляющего аппарата содержит переднюю часть 27 и заднюю часть 29, как более подробно показано на Фиг. 5. Передняя часть 27 имеет передний край 25L соответствующей лопатки 25 регулируемого входного направляющего аппарата, а задняя часть 29 имеет задний край 25T лопатки 25 регулируемого входного направляющего аппарата. Как более подробно показано на Фиг. 5, форма лопаток 25 входного направляющего аппарата может изменяться от одной лопатки к другой вокруг оси A-A. В некоторых вариантах осуществления одна или несколько дополнительных лопаток 25X регулируемого входного направляющего аппарата, включая заднюю часть 29X, но исключая переднюю часть, могут быть добавлены к набору лопаток 25 регулируемого входного направляющего аппарата.

[25] Как более подробно показано на Фиг. 4 и 6, каждая задняя часть 29 лопаток 25 регулируемого входного направляющего аппарата содержит первый штифт 31 и второй штифт 33, выполненные с возможностью шарнирной поддержки соответствующей лопатки регулируемого входного направляющего аппарата и, более конкретно, ее задней части 29.

[26] Устройство 23 лопатки регулируемого ВНА содержит дискообразный элемент 35 и кольцевой элемент 37, соединенные друг с другом, при этом лопатки 25 входного направляющего аппарата расположены между ними. Кольцевой элемент 37 и дискообразный элемент 35 жестко соединены друг с другом соединительными элементами 39. В некоторых вариантах осуществления соединительные элементы 39 могут представлять собой или могут содержать винты. Соединительные элементы 39 предпочтительно проходят через переднюю часть 27 по меньшей мере некоторых из лопаток регулируемого входного направляющего аппарата, как наглядно показано на Фиг. 1A, 2 и 5, таким образом, что они не мешают каналу для газа, проходящему через устройство 23 лопатки регулируемого ВНА.

[27] Дискообразный элемент 35 содержит осевое отверстие 41, а кольцевой элемент 37 содержит осевое отверстие 43. Два осевых отверстия 41, 43 являются соосными и позволяют валу компрессора проходить через них. Кроме того, осевое отверстие 41 и проточные каналы между лопатками 25 регулируемого входного направляющего аппарата имеют характерную особенность в виде устройства для прохождения потока газа к впуску 13A крыльчатки, когда устройство 23 установлено в компрессоре 1, см. Фиг. 1 и 1A.

[28] Дискообразный элемент 35 содержит множество первых подшипников или втулок 45. Каждый первый подшипник или втулка 45 содержит соответствующий первый штифт 31. Кольцевой элемент 37 содержит множество вторых подшипников или втулок 47. Каждый второй подшипник или втулка 47 содержит соответствующие вторые штифты 33. Таким образом, каждая задняя часть 29 лопаток 25 регулируемого входного направляющего аппарата поддерживается между дискообразным элементом 35 и кольцевым элементом 37 и может вращаться вокруг оси соответствующего соосного первого штифта 31 и 33.

[29] Угловое перемещение каждой задней части 39 может быть отрегулировано системой 51 активации, см. Фиг. 3. Система 51 активации выполнена с возможностью размещения в посадочном месте 52, образованном на стороне дискообразного элемента 35, так что она обращена в направлении, противоположном кольцевому элементу 37.

[30] В некоторых вариантах осуществления, как наглядно показано на Фиг. 3, система 51 активации содержит соединитель 53 для подключения к сервоприводу или аналогичному устройству, которое не показано. Соединитель 53 шарнирно соединен с кольцом 55, соосным дискообразному элементу 35 и кольцевому элементу 37. Кольцо 55 выполнено с возможностью осуществления угловых перемещений вокруг оси A-A устройства 23. Кольцо 55 выполнено с возможностью соединения и передачи приводного усилия на первый штифт 31 каждой задней части лопаток 25 регулируемого входного направляющего аппарата посредством соединительных рычагов 57, 59. Таким образом, система 51 активации выполнена с возможностью регулирования одновременного вращения каждой задней части 29 лопаток 25 регулируемого входного направляющего аппарата.

[31] Таким образом, подшипники или втулки 45, 47, дискообразный элемент 35, кольцевой элемент 37 и система 51 активации объединены в единый блок или подузел, который может быть собран отдельно от компрессора 1. После сборки устройство 23 может быть испытано и окончательно установлено в компрессор 1.

[32] Устройство 23 лопатки регулируемого ВНА размещено в компрессоре 1 в таком положении, что лопатки 25 входного направляющего аппарата расположены в кольцевом отверстии, по текучей среде соединяющем впускную камеру 21 со стороной всасывания 13А первой крыльчатки 13. В варианте осуществления, показанном на Фиг. 1, дискообразный элемент 35 размещен в посадочном месте, образованном в неподвижной диафрагме 17, и, более конкретно, в кольцеобразном посадочном месте 18, предусмотренном на поверхности диафрагмы 17, обращенной к впускной камере 21. После установки кольцевой элемент 37 устройства 23 лопатки регулируемого ВНА может быть по меньшей мере частично размещен в посадочном месте 20, образованном в передней части корпуса 3, который в варианте осуществления, показанном на чертежах, оснащен передним закупоривающем устройством 3B.

[33] На Фиг. 7 показана блок-схема, обобщающая способ сборки и установки лопаток входного направляющего аппарата в компрессор.

[34] Способ включает в себя этап установки первых подшипников 45 в дискообразный элемент 35 (этап 101) и этап установки вторых подшипников 47 в кольцевой элемент 37 (этап 102). Этапы 101 и 102 могут быть выполнены в любой последовательности или одновременно. Способ дополнительно включает в себя этап жесткого соединения дискообразного элемента 35 и кольцевого элемента 37 друг с другом (этап 103), при этом лопатки 25 регулируемого входного направляющего аппарата расположены между ними. Каждая лопатка 25 регулируемого входного направляющего аппарата содержит первый штифт 31, размещенный для вращения в соответствующем первом подшипнике 45, и второй штифт 33, размещенный для вращения в соответствующем втором подшипнике 47. Таким образом, дискообразный элемент 35, кольцевой элемент 37 и лопатки 25 регулируемого входного направляющего аппарата образуют блок или подузел. Система 51 активации выполнена с возможностью установки на задней части дискообразного элемента 35 (этап 104). Подузел или блок, собранный таким образом, может быть испытан (этап 105), а затем вставлен и установлен в компрессор 1 (этап 106).

[35] Последовательность работ, описанных выше, может быть изменена за счет выполнения некоторых этапов в обратной последовательности. Например, система 51 активации может быть установлена после того, как лопатки 25 регулируемого входного направляющего аппарата будут установлены на дискообразном элементе 35, причем первые штифты 31 введены в первые втулки или подшипники 45, а затем кольцевой элемент 37 может быть прикреплен к дискообразному элементу 35, и вторые штифты 33 введены во вторые подшипники или втулки 47.

[36] Типовые варианты реализации изобретения были описаны выше и проиллюстрированы в прилагаемых графических материалах. Специалистам в данной области техники будет понятно, что различные изменения, опущения и добавления можно внести в то, что конкретно описано в данном документе, без отступления от объема изобретения, определенного в следующей формуле изобретения.

Устройство лопатки регулируемого входного направляющего аппарата содержит дискообразный элемент и кольцевой элемент, соосный дискообразному элементу и образующий с ним блок. Между дискообразным элементом и кольцевым элементом прикреплен с возможностью поворота набор лопаток регулируемого входного направляющего аппарата. Каждая лопатка регулируемого входного направляющего аппарата содержит первый поворотный штифт и второй поворотный штифт. Первый поворотный штифт шарнирно поддерживается первым подшипником, размещенным в дискообразном элементе, а второй поворотный штифт шарнирно поддерживается вторым подшипником, размещенным в кольцевом элементе. Позволяет упростить конструкцию лопатки регулируемого ВНА и соответствующую систему активации, а также упростить и ускорить их сборку. 3 н. и 10 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Устройство лопатки регулируемого входного направляющего аппарата для турбомашины, содержащее

дискообразный элемент;

кольцевой элемент, соосный дискообразному элементу и образующий с ним блок; и

набор лопаток регулируемого входного направляющего аппарата, прикрепленных с возможностью поворота между дискообразным элементом и кольцевым элементом;

причем каждая лопатка регулируемого входного направляющего аппарата содержит первый поворотный штифт и второй поворотный штифт; при этом каждый первый поворотный штифт шарнирно поддерживается первым подшипником, размещенным в дискообразном элементе, а второй поворотный штифт шарнирно поддерживается вторым подшипником, размещенным в кольцевом элементе; и

при этом каждая лопатка регулируемого входного направляющего аппарата содержит заднюю часть, выполненную за одно целое с поворотным штифтом и с возможностью перемещения вокруг оси поворотного штифта относительно дискообразного элемента и кольцевого элемента; и при этом по меньшей мере некоторые из лопаток регулируемого входного направляющего аппарата включают в себя переднюю часть, которая неподвижна относительно дискообразного элемента и кольцевого элемента.

2. Устройство по п. 1, дополнительно содержащее множество соединительных элементов, которые жестко соединяют дискообразный элемент и кольцевой элемент друг с другом с образованием указанного блока.

3. Устройство по п. 2, в котором каждый соединительный элемент проходит через соответствующую переднюю часть одной из указанных лопаток регулируемого входного направляющего аппарата.

4. Устройство по одному или более из предшествующих пунктов, в котором дискообразный элемент содержит первую сторону, обращенную к кольцевому элементу, и вторую сторону, обращенную в направлении, противоположном кольцевому элементу; и при этом система активации для управления угловыми перемещениями указанных лопаток регулируемого входного направляющего аппарата расположена в посадочном месте на второй стороне дискообразного элемента.

5. Турбомашина, содержащая

корпус;

по меньшей мере одну крыльчатку, поддерживаемую с возможностью вращения в корпусе;

впускную камеру; и

устройство лопатки регулируемого входного направляющего аппарата по любому из предшествующих пунктов, расположенное соосно с крыльчаткой, между впускной камерой и впуском крыльчатки.

6. Турбомашина по п. 5, представляющая собой центробежный компрессор.

7. Турбомашина по п. 5 или 6, дополнительно содержащая диафрагму, неподвижно расположенную в корпусе и соосную крыльчатке; и при этом дискообразный элемент размещен в указанной диафрагме.

8. Турбомашина по п. 7, в которой кольцевой элемент размещен в посадочном месте, соосном с крыльчаткой и расположенном в передней части корпуса.

9. Способ сборки лопаток регулируемого входного направляющего аппарата для турбомашины, при этом способ включает в себя следующие этапы:

монтаж набора первых подшипников в дискообразном элементе;

монтаж набора вторых подшипников в кольцевом элементе; и

жесткое соединение дискообразного элемента и кольцевого элемента друг с другом с размещением между ними множества лопаток регулируемого входного направляющего аппарата; причем каждая лопатка регулируемого входного направляющего аппарата содержит первый штифт, поддерживаемый для вращения в первом подшипнике, и второй штифт, поддерживаемый для вращения во втором подшипнике; при этом дискообразный элемент, кольцевой элемент и лопатки регулируемого входного направляющего аппарата, расположенные между ними, образуют блок; и при этом каждая лопатка регулируемого входного направляющего аппарата содержит заднюю часть, выполненную за одно целое с поворотным штифтом и с возможностью перемещения вокруг оси поворотного штифта относительно дискообразного элемента и кольцевого элемента; и по меньшей мере некоторые из лопаток регулируемого входного направляющего аппарата включают в себя переднюю часть, которая неподвижна относительно дискообразного элемента и кольцевого элемента.

10. Способ по п. 9, дополнительно включающий этап установки системы активации для управления угловыми перемещениями указанных лопаток регулируемого входного направляющего аппарата в посадочном месте на второй стороне дискообразного элемента и соединения каждой лопатки регулируемого входного направляющего аппарата с указанной системой активации.

11. Способ по п. 9 или 10, дополнительно включающий этап установки блока в турбомашину.

12. Способ по п. 11, причем турбомашина представляет собой центробежный компрессор.

13. Способ по п. 11 или 12, в котором блок расположен между неподвижной диафрагмой турбомашины и передней частью корпуса турбомашины.