Роторная машина

 

Изобретение относится к роторной машине. Роторная машина содержит ротор, статор, по меньшей мере одну направляющую лопатку, которая за два противоположных конца удерживается статором и по меньшей мере один конец которой установлен с возможностью поворота относительно статора в по меньшей мере первой плоскости, и по меньшей мере один проводящий элемент, предназначенный для проведения текучей среды в направляющую лопатку для влияния на ее температуру, отличающаяся тем, что роторная машина содержит уплотнительный элемент, который соединен с направляющей лопаткой с возможностью поворота в по меньшей мере второй плоскости, предназначенный для создания уплотнения между статором и направляющей лопаткой, и уплотняющая функция которого по существу не зависит от относительного углового положения направляющей лопатки и статора в первой плоскости. Такое выполнение роторной машины позволит предотвратить утечку текучей среды, которая проводится в направляющую лопатку для влияния на ее температуру, между статором и направляющей лопаткой даже при их разных установленных угловых поворотных положениях относительно друг друга в указанной первой плоскости 15 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к роторной машине, содержащей ротор, статор, по меньшей мере одну направляющую лопатку, которая за два противоположных конца удерживается статором, и по меньшей мере одним концом установлена с возможностью поворота относительно статора по меньшей мере в первой плоскости, и по меньшей мере один проводящий элемент, предназначенный для проведения текучей среды в направляющую лопатку для влияния на ее температуру.

Такие устройства известны и применяются в газовых турбинах, где текучая среда может быть воздухом от компрессора, который отводится от компрессора, включенного в устройство газовой турбины, в котором роторная машина, снабженная указанной направляющей лопаткой, является турбиной. Воздух от компрессора используется для охлаждения направляющей лопатки изнутри. Маленькие отверстия расположены в самой лопасти направляющей лопатки так, что воздух от компрессора может протекать из нее в канал для потока газа турбины. Благодаря охлаждению направляющей лопатки слишком высокие температуры, вызывающие изменение размеров и оказывающие тепловое влияние на материал, укорачивающее срок его службы, могут быть уменьшены.

Обычно воздух от компрессора/охлаждающий воздух проводится по трубкам и/или просверленным отверстиям в неподвижных частях статора во входные камеры, расположенные на двух противоположных концах направляющей лопатки. Когда направляющая лопатка за оба ее конца удерживается статором или, более точно, держателями направляющей лопатки, прикрепленными к статору, направляющая лопатка должна иметь способность наклоняться относительно окружающих частей статора из-за разности осевых движений, которая существует между внутренней частью статора, которая удерживает один конец направляющей лопатки, и наружной частью статора, которая удерживает другой ее конец. Под осевыми движениями подразумеваются движения в осевом направлении ротора. Вследствие того факта, что перепад давлений по линии направляющей лопатки велик, трудно избежать, таким образом, нежелательной утечки охлаждающего воздуха и газа вокруг наклоняемых, поворачиваемых направляющих лопаток. Утечка воздуха от компрессора, который может не использоваться в качестве охлаждающего воздуха, в канал для потока газа турбины, и утечка газа из канала для потока газа, конечно, понижает эффективность работы газовой турбины.

Краткое описание изобретения Задачей настоящего изобретения является получение роторной машины описанного выше типа, которая предотвращает утечку текучей среды, которая проводится в направляющую лопатку для влияния на ее температуру, между статором и направляющей лопаткой даже при их разных установленных угловых/поворотных положениях относительно друг друга в указанной первой плоскости. В альтернативном варианте такая утечка в ограниченном или регулируемом масштабе может допускаться, причем эта утечка по существу независима от указанных установленных углов.

Эта задача решается посредством создания роторной машины, содержащей ротор, статор, по меньшей мере одну направляющую лопатку, которая за два противоположных конца удерживается статором и, по меньшей мере, один конец которой установлен с возможностью поворота относительно статора в, по меньшей мере, первой плоскости, и, по меньшей мере, один проводящий элемент, предназначенный для проведения текучей среды в направляющую лопатку для влияния на ее температуру, при этом роторная машина содержит уплотнительный элемент, который соединен с направляющей лопаткой с возможностью поворота в, по меньшей мере, второй плоскости, предназначенный для создания уплотнения между статором и направляющей лопаткой, и уплотняющая функция которого по существу не зависит от относительного углового положения направляющей лопатки и статора в первой плоскости. Первая и вторая плоскости, таким образом, предпочтительно, являются любыми плоскостями, в которых проходит ось ротора роторной машины, в данном случае, предпочтительно, параллельными и, предпочтительно, образующими одну и ту же плоскость.

Согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения уплотнительный элемент содержит первый уплотнитель, предназначенный для образования уплотнения между направляющей лопаткой и уплотнительным элементом, причем уплотняющая функция указанного уплотнителя по существу не зависит от относительного углового положения направляющей лопатки и уплотнительного элемента во второй плоскости. Поскольку уплотнительный элемент создает уплотнение, таким образом, входя в контакт с направляющей лопаткой, он создает необходимые условия для предотвращения утечки текучей среды.

Согласно другому предпочтительному варианту осуществления изобретения уплотнительный элемент установлен с возможностью поворота относительно статора в указанной второй плоскости. Положение уплотнительного элемента может, таким образом, регулироваться для поворота направляющей лопатки во второй плоскости так, чтобы условия для выполнения первым уплотнителем его функций были хорошими даже при относительно больших углах наклона направляющей лопатки относительно статора.

Согласно другому предпочтительному варианту осуществления изобретения устройство содержит второй уплотнитель, предназначенный для создания уплотнения между уплотнительным элементом и статором, причем функция уплотнения этим уплотнителем по существу независима от относительного углового положения уплотнительного элемента и статора во второй плоскости. Таким образом, вероятность протечки газа или протечки воздуха через возможные зазоры между окружающими частями статора и подвижным компонентом, который образует уплотнительный элемент, уменьшается.

Согласно другому предпочтительному варианту осуществления изобретения первый уплотнитель представляет собой утолщение, проходящее вокруг наружной поверхности уплотнительного элемента. Уплотнительный элемент может, таким образом, легко формироваться как трубчатая деталь, вставляемая в выемку направляющей лопатки, при этом утолщение, которое, предпочтительно, имеет немного закругленную внешнюю периферийную поверхность, может легко формироваться таким образом, чтобы оно допускало некоторый относительный поворот/наклон направляющей лопатки и уплотнительного элемента с одновременным сохранением их уплотненного примыкания друг к другу. Утолщение, предпочтительно, прикреплено к самому уплотнительному элементу и формирует его часть.

Согласно другому предпочтительному варианту осуществления изобретения второй уплотнитель представляет собой утолщение, проходящее вокруг наружной окружности уплотнительного элемента. Предпочтительно, оно прикреплено к уплотнительному элементу и формирует его часть. Таким образом, получена возможность устанавливать уплотнительный элемент в выемку статора, предпочтительно, держатели статора, предназначенные для крепления направляющей лопатки. Уплотнительный элемент, предпочтительно, имеет в области указанного утолщения конфигурацию по существу круглой трубки, на наружной стороне которой выполнено утолщение. Такая конструкция образует хорошие условия как для хорошего уплотнения, так и для относительной подвижности уплотнительного элемента и выемки в статоре, в которую установлен уплотнительный элемент.

Согласно другому предпочтительному варианту осуществления изобретения уплотнительный элемент содержит цилиндрический корпус с кольцевым поперечным сечением и с, по меньшей мере, одним кольцевым утолщением, которое проходит вокруг его наружной окружности и образует уплотнитель.

Согласно другому предпочтительному варианту осуществления изобретения уплотнительный элемент содержит цилиндрический корпус с кольцевым поперечным сечением и с двумя кольцевыми утолщениями, каждое из которых проходит вокруг наружной окружности уплотнительного элемента и образует первый и второй уплотнители соответственно. Уплотнительный элемент такой конструкции может легко вводиться в уплотнительный контакт с держателями направляющей лопатки и выемками в торцевых пространствах направляющей лопатки. Например, охлаждающая среда/воздух от компрессора может через камеру проводиться в уплотнительный элемент и через этот элемент в направляющую лопатку без утечки существенного количества среды наружу между уплотнительным элементом и держателем направляющей лопатки в канал для потока роторной машины и без протечки какого-либо большего количества газа в противоположном направлении. Кроме того, будет предотвращаться протечка охлаждающей среды, проводимой в уплотнительный элемент, наружу через какой-либо зазор между уплотнительным элементом и выемкой в направляющей лопатке, в которую вставлен уплотнительный элемент.

Уплотнительный элемент предпочтительно выступает в выемку на конце направляющей лопатки, с которой он соединен, и проходит сквозь держатель, соединенный со статором и предназначенный для удерживания направляющей лопатки, а второй уплотнитель выполнен с возможностью прилегания к внутренней окружности держателя.

Согласно другому предпочтительному варианту осуществления изобретения направляющая лопатка установлена с возможностью поворота относительно статора на обоих концах, дополнительный проводящий элемент выполнен для проведения влияющей на температуру текучей среды во второй конец направляющей лопатки, и по одному уплотнительному элементу с указанными первым и/или вторым уплотнителем установлены на каждом конце направляющей лопатки. Таким образом достигается очень хорошая подача в направляющую лопатку, например, охлаждающего воздуха от компрессора, включенного в роторную машину или подключенного к ней, при этом одновременно сдерживается на пониженном уровне возможная протечка охлаждающего воздуха наружу от уплотнительных элементов и в канал для потока газа турбины.

Согласно другому предпочтительному варианту осуществления изобретения роторная машина содержит множество направляющих лопаток, расположенных в кольце, и каждая из них соединена с проводящим элементом, при этом первый и/или второй уплотнители расположены в каждой из направляющих лопаток. Такое устройство в особенности предпочтительно, когда роторная машина содержит турбину, где указанное кольцо из направляющих лопаток является первым из множества колец, видимых в направлении потока в турбине, и кольцо расположено в области входа турбины, где протекающий газ очень горяч, имеет высокое давление и где отдельные направляющие лопатки двумя противоположными концами установлены в радиально наружную и радиально внутреннюю части статора.

Другие отличительные признаки и преимущества роторной машины, соответствующей настоящему изобретению, будут очевидны из нижеследующего описания и из прилагаемой формулы изобретения.

Краткое описание чертежей Вариант выполнения роторной машины, соответствующей настоящему изобретению, теперь будет описан на не вносящем ограничений примере и со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых: фиг. 1 изображает сечение, показывающее роторную машину, соответствующую изобретению, вид сбоку; фиг.2 - сечение части роторной машины, вид сбоку; фиг.3 - уплотнительный элемент, вид сбоку.

Подробное описание варианта осуществления изобретения Роторная машина согласно изобретению представляет собой устройство 1 газовой турбины, показанное на фиг.1. Устройство 1 газовой турбины содержит компрессор 2 и турбину 3. Кроме того, оно содержит камеру 4 сгорания кольцевого типа. В камере 4 сгорания расположено множество форсунок 5. Они предназначены для поддержания горения в камере 4 сгорания для генерирования в ней горячего газа. Камера 4 сгорания на одном ее конце снабжена выходным отверстием, через которое генерированный газ может протекать в турбину 3 и вращать ее. Компрессор 2 в первую очередь предназначен для подачи среды, в данном случае - сжатого воздуха, к форсункам 5, где среда от компрессора/воздух используется для выполнения их функции горения.

Компрессор 2, камера 4 сгорания и турбина 3 расположены соосно и соединены друг с другом в названном порядке.

Компрессор 2 содержит статор 6 и ротор 7. Статор 6 содержит множество колец 8 с направляющими лопатками, которые известным образом содержат множество направляющих лопаток.

Ротор 7 сформирован множеством дисков 9, которые, предпочтительно, приварены друг к другу электронно-лучевой сваркой. Радиально снаружи от дисков 9 ротора на соответствующем диске 9 ротора расположены лопатки 10 ротора.

Турбина 3 содержит статор 11 и ротор 12. Ротор 12 может, как в этом случае, содержать множество, в данном случае - три, дисков 13 ротора, на которых расположены известным образом кольца из лопаток 14 ротора. Статор 11 содержит наборы направляющих лопаток 15, которые известным образом расположены рядами. Направляющие лопатки 15 в ряду, который расположен ближе других к входному отверстию 16 турбины 3, то есть ряд направляющих лопаток, расположенный первым по ходу потока, удерживаются за противоположные концы в радиально наружной части 17 статора и радиально внутренней части 18 статора. Направляющие лопатки 15, таким образом, с возможностью поворота соединены с промежуточными держателями 19, 20 направляющих лопаток, которые прикреплены к наружной 17 и внутренней 18 частям статора соответственно.

Между держателями 19, 20 направляющей лопатки и соответствующими частями 17, 18 статора расположены кольцеобразные камеры 21, 22. Кольцеобразные камеры 21, 22 формируют, таким образом, часть проводящих элементов 23, 24, через которые в направляющие лопатки 15 проводится охлаждающий воздух. Уплотнительные элементы 25, 26, образующие оконечные части проводящих элементов 23, 24, таким образом, предназначены для проведения охлаждающего воздуха из камер 21, 22 в концы направляющих лопаток 15. Уплотнительные элементы 25, 26 представляют собой короткие радиальные трубки, которые с уплотнением примыкают к держателям 19, 20 направляющих лопаток и к внутренней окружности соответствующей муфты 27, 28, причем указанные муфты 27, 28 установлены в выемки в соответствующих концах направляющих лопаток 15 и прикреплены к направляющим лопаткам 15. Уплотнительные элементы 25, 26 в форме трубки имеют на одном из их концов кольцеобразное утолщение, которое проходит вокруг наружной окружности уплотнительного элемента 25, 26, которое имеет закругленный наружный контур, предпочтительно, сферический, и которое примыкает к внутренней окружности держателя 18, 19 направляющей лопатки, который соединен со статором 11 и формирует его часть. На его противоположном конце уплотнительный элемент 25, 26 имеет другое утолщение 31, 32, которое также проходит вокруг наружной окружности уплотнительного элемента 25, 26, которое имеет закругленный, предпочтительно, сферический, наружный контур, и которое с уплотнением примыкает к внутренней окружности выемки в конце направляющей лопатки или, более точно, расположенной в ней муфты 27, 28. Благодаря утолщениям 29-32 уплотнительный элемент 25, 26 может наклоняться относительно держателя 19, 20 направляющей лопатки и муфты 27, 28, к которой он примыкает, с сохранением уплотняющей способности. Такая ситуация обычно возникает в связи с тепловым влиянием газов на соответствующие части 17, 18 статора 11. Это тепловое влияние вызывает взаимное смещение частей 17, 18 статора в осевом направлении турбины 3 и, следовательно, наклон направляющих лопаток 15, которые соединены с соответствующими частями 17, 18 статора в плоскостях, в которых проходит ось (х) ротора роторной машины или, более точно, ротора 3.

Охлаждающей средой, которая используется описанным выше способом для охлаждения направляющих лопаток 15, предпочтительно, является воздух, отводимый от компрессора 2 и через отдельную, не показанную более подробно систему отвода, направляемый в проводящие элементы 23, 24 и через них внутрь направляющих лопаток 15. Направляющие лопатки 15 для этой цели сформированы полыми и имеют небольшие отверстия, предназначенные для проведения охлаждающей среды дальше, в канал для потока газа, когда она выполнила свою роль.

В частности, наклон направляющих лопаток 15 будет происходить в плоскости, которая проходит по существу параллельно направлению оси турбины 3. Благодаря тому факту, что поверхности контакта уплотнительных элементов 25, 26 со статором 11 и направляющими лопатками 15, соответственно, описанным выше образом имеют по существу цилиндрическую форму, уплотнительные элементы 25, 26 могут наклоняться во всех направлениях без увеличенной утечки воздуха из кольцеобразных камер 21, 22 в канал 33 для потока газа.

На фиг. 3 ясно и более детально показано, как короткие трубчатые уплотнительные элементы 25, 26 снабжены на их противоположных концах немного закругленными утолщениями. Следовательно, уплотнительные элементы 25, 26 имеют сужение 34, с несколько меньшей наружной окружностью, чем у окружающих утолщений 29-32.

Следует понимать, что для специалиста в данной области техники будут очевидны многие изменения и альтернативные варианты выполнения раскрытого выше в качестве примера варианта осуществления изобретения без отхода от объема изобретения, определенного прилагаемой формулой изобретения.

Понятие "не зависимый от углового положения" в данном описании в первую очередь относится к угловым положениям, которые могут возникать между компонентами, включенными в роторную машину описанного типа, то есть относительно малые наклоны направляющих лопаток и уплотнительных элементов.

Под установкой направляющей лопатки с возможностью поворота относительно статора в первую очередь подразумевается поворот вследствие взаимного смещения наружной и внутренней частей 17, 18 статора, с которыми соединена направляющая лопатка 15 ее противоположными концами. Поворот направляющей лопатки, таким образом, не следует путать с типом обычного вращательного движения, которое такая направляющая лопатка конечно может демонстрировать. Смещение частей 17, 18 статора происходит из-за теплового воздействия и, предпочтительно, в направлении оси x ротора турбины 3 и вызывает, таким образом, наклон концов направляющей лопатки 15 относительно держателей 19, 20 направляющей лопатки, в которых они установлены с возможностью поворота, то есть наклона.

Формула изобретения

1. Роторная машина (1), содержащая ротор (12), статор (11), по меньшей мере одну направляющую лопатку (15), которая за два противоположных конца удерживается статором (11) и по меньшей мере один конец которой установлен с возможностью поворота относительно статора (11) в по меньшей мере первой плоскости, и по меньшей мере один проводящий элемент (23, 24), предназначенный для проведения текучей среды в направляющую лопатку (15) для влияния на ее температуру, отличающаяся тем, что роторная машина содержит уплотнительный элемент (25, 26), который соединен с направляющей лопаткой (15) с возможностью поворота в по меньшей мере второй плоскости, предназначенный для создания уплотнения между статором (11) и направляющей лопаткой (15), и уплотняющая функция которого, по существу, не зависит от относительного углового положения направляющей лопатки (15) и статора (11) в первой плоскости.

2. Роторная машина по п.1, отличающаяся тем, что уплотнительный элемент (25, 26) содержит первый уплотнитель (31, 32), предназначенный для создания уплотнения между направляющей лопаткой (15) и уплотнительным элементом (25, 26), причем уплотняющая функция уплотнителя (31, 32), по существу, не зависит от относительного углового положения направляющей лопатки (15) и уплотнительного элемента (25, 26) во второй плоскости.

3. Роторная машина по п.1 или 2, отличающаяся тем, что уплотнительный элемент (25, 26) установлен с возможностью поворота относительно статора (11) во второй плоскости.

4. Роторная машина по любому из пп.1-3, отличающаяся тем, что она содержит второй уплотнитель (29, 30), предназначенный для создания уплотнения между уплотнительным элементом (25, 26) и статором (11), причем уплотняющая функция уплотнителя (29, 30) по существу не зависит от относительного углового положения уплотнительного элемента (25, 26) и статора (11) во второй плоскости.

5. Роторная машина по любому из пп.1-4, отличающаяся тем, что первый уплотнитель (31, 32) содержит утолщение, проходящее вокруг наружной окружности уплотнительного элемента (25, 26).

6. Роторная машина по п.4, отличающаяся тем, что второй уплотнитель (29, 30) содержит утолщение, проходящее вокруг наружной окружности уплотнительного элемента (25, 26).

7. Роторная машина по любому из пп.1-6, отличающаяся тем, что уплотнительный элемент (25, 26) содержит цилиндрический корпус с кольцевым поперечным сечением и с по меньшей мере одним кольцевым утолщением (29-32), которое проходит вокруг его наружной окружности и образует уплотнитель (29-32).

8. Роторная машина по любому из пп.1-6, отличающаяся тем, что уплотнительный элемент (25, 26) содержит цилиндрический корпус с кольцевым поперечным сечением и с двумя кольцевыми утолщениями (29-32), каждое из которых проходит вокруг наружной окружности уплотнительного элемента (25, 26) и образует соответствующий уплотнитель (29-32).

9. Роторная машина по любому из пп.1-8, отличающаяся тем, что уплотнительный элемент (25, 26) выступает в выемку на конце направляющей лопатки, с которой он соединен.

10. Роторная машина по п.9, отличающаяся тем, что первый уплотнитель (31, 32) выполнен с возможностью прилегания к внутренней окружности выемки.

11. Роторная машина по пп.1 и 4, отличающаяся тем, что уплотнительный элемент (25, 26) проходит сквозь держатель (19, 20), соединенный со статором (11) и предназначенный для удерживания направляющей лопатки (15), и тем, что второй уплотнитель (29, 30) выполнен с возможностью прилегания к внутренней окружности держателя (19,20).

12. Роторная машина по любому из пп.1-10, отличающаяся тем, что направляющая лопатка (15) установлена с возможностью поворота относительно статора (11) обоими концами.

13. Роторная машина по любому из пп.1-12, отличающаяся тем, что дополнительный проводящий элемент (23, 24) выполнен с возможностью подачи влияющей на температуру текучей среды ко второму концу направляющей лопатки (15).

14. Роторная машина по п.3 и любому из других пунктов, отличающаяся тем, что один уплотнительный элемент (25, 26) с первым и/или вторым уплотнителем (29-32) установлен на каждом конце направляющей лопатки.

15. Роторная машина по п.3 и любому из других пунктов, отличающаяся тем, что она содержит множество направляющих лопаток (15), установленных в кольце, и каждая из которых соединена с проводящим элементом (23, 24), причем первый и/или второй уплотнители (29-32) установлены в каждую направляющую лопатку (15).

16. Роторная машина по любому из пп.1-15, отличающаяся тем, что первая и вторая плоскости являются некоторыми из тех плоскостей, в которых проходит ось (х) ротора роторной машины (1).

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3