Турбина и корпус турбины

Изобретение относится к энергетике. Корпус турбины содержит несколько дугообразных сегментов, имеющих фланец на каждом боковом конце для соединения с фланцем соседнего дугообразного сегмента. Фланец проходит наружу от наружной поверхности каждого дугообразного сегмента вдоль наружной поверхности в направлении спереди назад. Каждый дугообразный сегмент имеет часть наружной поверхности, которая коллинеарна фланцу в направлении спереди назад и не содержит фланца. Также представлена турбина, содержащая корпус. Изобретение позволяет улучшить рабочие характеристики турбины. 2 н. и 16 з.п. ф-лы, 7 ил.

 

ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0001] Объект изобретения, описанный в настоящем документе, относится к турбине. Более конкретно, данный объект изобретения относится к турбине, имеющей незакрепленную болтами часть.

[0002] Турбина содержит рабочее колесо и корпус, окружающий рабочее колесо турбины. Текучая среда, такая как газ, воздух или жидкость, проходят через лопатки рабочего колеса турбины для приведения в действие вала турбины. Турбина выполнена таким образом, что во время работы между корпусом и лопатками, или рабочими лопатками турбины, имеется зазор, благодаря которому предотвращается трение между рабочими лопатками и корпусом. При этом величина зазора поддерживается настолько минимальной, насколько это возможно, чтобы предотвратить прохождение текучей среды через зазор вокруг и наружу рабочих лопаток турбины. А именно, текучую среду направляют на рабочие лопатки турбины и между этими лопатками, что обеспечивает эффективную работу турбины.

[0003] Когда турбина нагревается и охлаждается, компоненты турбины, в том числе и корпус, расширяются и сжимаются, в соответствии с характерной для них тепловой инерцией. Если тепловая инерция корпуса слишком велика или неодинакова вокруг рабочих лопаток турбины, то между рабочими лопатками турбины и корпусом возникает трение. В частности, во время запуска турбины, до того момента, когда корпус достигает существенного нагрева и расширения, зазор очень незначительный, при этом неравномерное расширение корпуса приводит к возникновению трения между рабочими лопатками и корпусом турбины. Поскольку трение рабочих лопаток с корпусом приводит к материальному износу торцов рабочих лопаток турбины, то оно также приводит к увеличению зазора между корпусом и торцами рабочих лопаток турбины, что ухудшает рабочие характеристики турбины.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0004] В соответствии с одним аспектом изобретения, турбина содержит корпус, имеющий несколько дугообразных сегментов, которые вместе образуют практически круглую форму поперечного сечения корпуса, причем корпус имеет переднюю кромку, ограничивающую переднее отверстие, и заднюю кромку, ограничивающую заднее отверстие, при этом указанные дугообразные сегменты проходят в направлении спереди назад между передней кромкой и задней кромкой, и соединительный выступ, проходящий в радиальном направлении от наружной поверхности корпуса в каждом месте соединения указанных нескольких дугообразных сегментов для соединения соседних дугообразных сегментов друг с другом. На своей наружной поверхности корпус имеет кольцевую область, которая не имеет скрепляющих выступов и толщина которой от внутренней поверхности до наружной поверхности меньше, чем толщина корпуса от внутренней поверхности до наружной поверхности в месте расположения соединительного выступа.

[0005] В соответствии с другим аспектом изобретения, корпус турбины содержит несколько дугообразных сегментов, каждый из которых имеет переднюю кромку на переднем конце и заднюю кромку на заднем конце, и фланец, расположенный на каждом боковом торце и предназначенный для присоединения к фланцу соседнего дугообразного сегмента из указанных нескольких дугообразных сегментов, причем фланец проходит в направлении наружу от наружной поверхности каждого дугообразного сегмента и проходит вдоль наружной поверхности в направлении спереди назад, причем каждый дугообразный сегмент имеет участок наружной поверхности, который является коллинеарным с фланцем в направлении спереди назад, но не содержит фланец, при этом ширина участка наружной поверхности, не содержащего фланец, от внутренней поверхности дугообразного сегмента до его наружной поверхности меньше, чем ширина дугообразного сегмента в месте расположения фланца от внутренней поверхности дугообразного сегмента до его наружной поверхности.

[0006] Эти и другие преимущества и характеристики станут более очевидными из последующего описания в сочетании с чертежами.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

[0007] Объект изобретения, описанный в настоящем документе, особо отмечен и подробно описан в формуле изобретения, следующей за описанием. Как упомянутые выше, так и другие признаки и преимущества настоящего изобретения очевидны из следующего подробного описания, в сочетании с прилагаемыми чертежами, на которых:

[0008] Фиг.1 изображает турбину.

[0009] Фиг.2 изображает дугообразный сегмент турбины.

[0010] Фиг.3 изображает вид спереди соединительной части корпуса.

[0011] Фиг.4 изображает вид сбоку в разрезе соединительной части корпуса.

[0012] Фиг.5 изображает схематическую иллюстрацию деформации корпуса, когда фланцы проходят по всей длине соединительной части корпуса.

[0013] Фиг.6 изображает схематическую иллюстрацию деформации корпуса, когда фланцы проходят только вдоль части соединительной части корпуса.

[0014] Фиг.7 изображает разрез корпуса турбины с двойной стенкой.

[0015] Подробное описание объясняет варианты выполнения настоящего изобретения в совокупности с его преимуществами и признаками посредством иллюстрации со ссылкой на чертежи.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0016] Фиг.1 изображает схематическую иллюстрацию турбины 1, выполненной в соответствии с одним из вариантов выполнения. Турбина 1 содержит корпус 10, состоящий из нескольких дугообразных в поперечном сечении сегментов 11a, 11b, 11c и 11 d. В настоящем описании и формуле изобретения термин «дугообразный в поперечном сечении» относится к поперечным сечениям сегментов 11a-11d, как это представлено на виде в направлении впускной стороны турбины 1. Кроме того, сегменты 11a-11d в описании и формуле изобретения называются дугообразными сегментами.

[0017] Соединительные выступы 12 выступают из корпуса 10 турбины 1. Соединительные выступы 12 скрепляют дугообразные сегменты 11a-11d с соседними дугообразными сегментами, соответственно, 11a, 11b, 11c или 11d. Соединительные выступы 12 проходят только вдоль части длины наружной поверхности корпуса 10.

[0018] Турбина 1 дополнительно содержит рабочее колесо 20, имеющее вал 21 и лопатки, или рабочие лопатки 22, проходящие от вала 21. Кольцевая область R корпуса 10 охватывает по окружности часть корпуса 10, которая соответствует ступени рабочих лопаток 22, причем кольцевая область R не содержит ни одного скрепляющего выступа 12. Дополнительные элементы турбины 1, такие как сопловые лопатки и неподвижные аэродинамические части в описании настоящего варианта выполнения опущены для ясности.

[0019] Несмотря на то что Фиг.1 представляет собой схематическую иллюстрацию турбины 1, содержащей четыре дугообразных сегмента 11a-11d, в альтернативных вариантах выполнения турбина содержит два, три или более четырех соединенных между собой дугообразных сегментов.

[0020] Фиг.2 представляет собой схематическую иллюстрацию одного из дугообразных сегментов 11 корпуса 10. Каждый дугообразный сегмент 11 имеет наружную поверхность 31, внутреннюю поверхность 38, переднюю кромку 32, заднюю кромку 33 и боковые края 34 и 35. Фланцы 36a и 36b проходят в радиальном направлении наружу от наружной поверхности 31 сегмента 11. Фланцы 36a и 36b расположены на противолежащих боковых краях 34 и 35 с обеспечением присоединения к соседним фланцам соседних дугообразных сегментов 11. Когда все дугообразные сегменты 11 турбины 1 соединены друг с другом путем соединения друг с другом соседних фланцев 36, дугообразные сегменты 11 образуют турбину 1, имеющую круглую форму в сечении.

[0021] Каждый из фланцев 36a и 36b имеет отверстия 39 под болты, предназначенные для вставления в них болтов для соединения фланцев 36а и 36b с соседними фланцами соседних дугообразных сегментов 11. В соответствии с альтернативными вариантами выполнения, соседние фланцы 36 соединяются друг с другом с помощью зажимов, сварки или других крепежных приспособлений.

[0022] Фланцы 36a и 36b проходят вдоль наружной поверхности 31 дугообразных сегментов 11 в направлении спереди назад. Однако участок наружной поверхности 31 дугообразного сегмента 11, который находится на одной линии с фланцами 36a и 36b, не содержит фланца. Иными словами, как показано на Фиг.2, в области, соседней с передней кромкой 32 дугообразного сегмента 11, которая находится на одной линии с фланцем 36а в направлении X спереди назад, отсутствуют фланцы, выступающие радиально от наружной поверхности 31 дугообразных сегментов 11.

[0023] Фиг.3 представляет собой вид спереди соединительной части С турбины 1. Фиг.3 показывает первый дугообразный сегмент 11a, соединенный со вторым дугообразным сегментом 11b. Фланец 36b на одном конце первого дугообразного сегмента 11a соединен с фланцем 36a на конце второго дугообразного сегмента 11b. Фланец 36b имеет ширину d1, а фланец 36а имеет ширину d2. В соответствии с настоящим вариантом выполнения, ширина d1 такая же, что и ширина d2. Однако в альтернативных вариантах выполнения фланцы 36a и 36b имеют разную ширину.

[0024] Совместная область наружной поверхности 31a первого дугообразного сегмента 11а и область наружной поверхности 31b второго дугообразного сегмента 11b задает соединительную область С корпуса 10. Соединительная область С проходит по длине дугообразных сегментов 11a и 11b и, в соответствии с вариантом выполнения настоящего изобретения, соединительная область С содержит как первый участок, из которого проходят фланцы 36a и 36b, так и второй участок, соседний с передними кромками 32a и 32b дугообразных сегментов 11a и 11b, из которых фланцы 36b и 36a не выступают.

[0025] Фиг.4 иллюстрирует вид сбоку в разрезе части турбины 1. Наружная поверхность 31 сегментов 11 имеет длину d3 в направлении X спереди назад. Фланец 36 проходит от наружной поверхности 31 по длине d4 сегмента 11. Длина d4 меньше, чем вся длина d3 наружной поверхности 31, так что область R наружной поверхности 31 с длиной d5 не содержит фланец 36. Область R расположена на одной линии с фланцем 36 в направлении спереди назад. Другими словами, область R, имеющая длину d5, полностью расположена внутри соединительной области С, показанной на Фиг.3. Кроме того, область R имеет кольцевую форму, которая охватывает по окружности турбину 1. Другими словами, несмотря на то, что на Фиг.4 изображен разрез только одного дугообразного сегмента, область R, соответствующая длине d5, проходит вокруг всей турбины 1, как показано на Фиг.1.

[0026] Область R имеет ширину d7, которая соответствует ширине дугообразного сегмента 11 без фланца 36. Часть дугообразного сегмента 11, которая содержит фланец 36, имеет ширину d8, которая больше, чем ширина d7. Фиг.4 иллюстрирует область R без выступов, таких как фланцы, ребра или опорные стойки. Следовательно, тепловая инерция области R очень мала по сравнению с тепловой инерцией части дугообразных сегментов 11, включающей фланец 36. В соответствии с альтернативными вариантами выполнения область R содержит один или несколько выступов, такие как опорные стойки, но наличие выступов слабо сказывается на тепловой инерции области R, при этом выступы имеют ширину d7, меньшую, чем ширина d8 участка дугообразного сегмента 11, включающего фланец 36.

[0027] Область R соответствует ступени рабочих лопаток 22 рабочего колеса 20 турбины, при этом длина d5 может быть больше, чем длина рабочей лопатки 22. Когда область R нагревается и охлаждается во время работы турбины 1, тепловая инерция области R относительно мала и равномерна, по сравнению с частью корпуса 10, имеющей фланцы 36. Следовательно, часть корпуса 10, содержащая область R, поддерживается по существу круглой формы, при этом трения рабочих лопаток 22 о корпус 10 удается избежать.

[0028] Несмотря на то что на Фиг.4 в целях иллюстрации изображена только одна рабочая лопатка 22, следует понимать, что лопатки 22 расположены вокруг вала 21 кольцевым образом, при этом каждое кольцевое расположение рабочих лопаток 22 составляет часть ступени. Ступень может также содержать неподвижные лопатки для формирования сопловых аппаратов, которые направляют текучую среду на лопатки под заданными углами. Сопловые лопатки не показаны на Фиг.4 для ясности. Кроме того, тогда как для ясности на Фиг.4 показана лишь одна ступень рабочих лопаток 22, турбина 1 может содержать любое количество ступеней.

[0029] В соответствии с настоящим вариантом выполнения область R представляет собой часть наружной поверхности 31 дугообразного сегмента 11, которая находится рядом с передней кромкой 32 в направлении X спереди назад. Однако, в соответствии с альтернативным вариантом выполнения, область R может быть расположена рядом с задней кромкой 33 дугообразного сегмента 11 или в любом месте между передней кромкой 32 и задней кромкой 33, которое соответствует ступени рабочих лопаток 22. Кроме того, несколько областей R может быть расположено на дугообразном сегменте 11, например, рядом как с передней кромкой 32, так и с задней кромкой 33.

[0030] Фиг.5 и 6 иллюстрируют сравнительные тепловые инерции кольцевых частей турбины 1, имеющей четыре крепежных выступа 12, расположенных в угловых положениях, соответствующих 0 градусам, 90 градусам, 180 градусам и 270 градусам, и, соответственно, турбины 1, не имеющей крепежных выступов на кольцевой части. Линия Т1 показывает время после запуска и перед тем, как турбина 1 достигла нормальной рабочей температуры. Линия Т2 показывает время, когда турбина работает при нормальной рабочей температуре. Линия Т3 показывает время после начала процедуры останова турбины 1, но до того, как температура турбины достигла значения, когда турбина находится в не нагретом состоянии.

[0031] Фиг.5 иллюстрирует тепловую инерцию кольцевой части турбины 1, имеющей крепежные выступы 12. Во время Т1, части турбины 1, имеющие крепежные выступы 12, нагреваются медленнее, чем части турбины 1, которые не имеют крепежных выступов 12. В результате корпус 10 турбины 1 коробится, о чем свидетельствуют выступающие и утопленные части линий, изображающих время Т1. Физический результат неравномерного нагревания проиллюстрирован линией Т1, изображенной на Фиг.5, заключается в том, что корпус 10 становится деформированным, при этом части корпуса 10 изгибаются наружу, а другие части изгибаются во внутрь, что приводит к трению рабочих лопаток 22 о корпус 10.

[0032] Во время Т2 корпус 10 расширился до по существу округлой формы. Во время ТЗ части корпуса 10, имеющие крепежные выступы 12, охлаждаются медленнее, чем части корпуса 10, которые не имеют крепежных выступов 12. Следовательно, корпус 10 становится деформированным и некруглым, как описано выше.

[0033] Фиг.6 иллюстрирует тепловую инерцию кольцевой части турбины 1, которая не имеет крепежных выступов 12. Во время Т1 корпус 10 расширяется последовательно по всей кольцевой части, при этом кольцевая часть сохраняет круглую форму. Аналогичным образом, во время ТЗ, после того как был инициирован останов турбины, кольцевая часть корпуса 10, которая не имеет соединительных выступов 12, охлаждается последовательно, сохраняя по существу, круглую форму. Поскольку корпус 10 сохраняет круглую форму при нагревании и охлаждении, зазоры между торцами рабочих лопаток 22 и внутренней поверхностью корпуса 10 могут быть выполнены меньше, чем зазоры в турбине 1, имеющей соединительные выступы 12, проходящие по всей длине турбины, причем меньшие зазоры приводят к большему КПД турбины 1.

[0034] Фиг.7 иллюстрирует вид сбоку в разрезе корпуса турбины 1 с двойной стенкой. Турбина 1 содержит наружную оболочку 71 и внутреннюю оболочку 72. Внутренняя оболочка 72 соответствует корпусу 10, изображенному на Фиг.1, и содержит соединительные выступы 12 для соединения вместе сегментов внутренней оболочки 72, как показано на Фиг.1-4.

[0035] На заднем конце турбины 1 внутренняя оболочка 72 содержит наклонную часть и несколько цилиндрических частей 74. Цилиндрические части 74 содержат фланцы 76. Цилиндрическая часть 75, расположенная между цилиндрическими частями 74, не содержит фланца 76, при этом между фланцами 76 имеется пространство 77. В соответствии с альтернативными вариантами выполнения, каждая из цилиндрических частей 74 и 75 содержит фланцы 76. В других вариантах выполнения каждая из цилиндрических частей 74 и 75 выполнена как единое целое без сегментов и без фланцев 76.

[0036] Наружная оболочка 71 содержит опоры 73 для поддержки внутренней оболочки 72, одновременно обеспечивая возможность расширения и сжатия внутренней оболочки 72, в соответствии с характеристиками тепловой инерции внутренней оболочки 72. Опоры 73 имеют кольцевую форму, чтобы окружать внутреннюю оболочку 72 с обеспечением герметичного уплотнения для предотвращения протечки нагретой текучей среды из турбины 1.

[0037] Кольцевое уплотнение 78 расположено в самой задней части крепежного выступа для дальнейшего уплотнения турбины 1. В соответствии с альтернативными вариантами выполнения крепежный выступ 12 проходит в наружном направлении к наружной оболочке 71, при этом не предусмотрено никакое кольцевое уплотнение 78.

[0038] Несмотря на то, что изобретение было подробно описано только в связи с ограниченным количеством вариантов выполнения, следует понимать, что оно не ограничивается этими описанными вариантами. Напротив, изобретение может быть модифицировано, чтобы включать любое количество вариаций, изменений, замен или эквивалентных конструкций, до сих пор не описанных, но которые соизмеримы по сущности и объему с настоящим изобретением. Кроме того, несмотря на то, что были описаны различные варианты выполнения изобретения, следует понимать, что аспекты изобретения могут включать в себя лишь некоторые из описанных вариантов выполнения. Таким образом, изобретение не следует рассматривать как ограниченное приведенным выше описанием, и оно ограничено только объемом прилагаемой формулы изобретения.

1. Турбина, содержащая
корпус, имеющий несколько дугообразных сегментов, которые вместе образуют по существу круглую в поперечном сечении форму корпуса, причем корпус имеет переднюю кромку, ограничивающую переднее отверстие, и заднюю кромку, ограничивающую заднее отверстие, при этом указанные дугообразные сегменты проходят в направлении спереди назад между передней кромкой и задней кромкой, и
крепежный выступ, радиально проходящий от наружной поверхности корпуса в каждом месте соединения указанных дугообразных сегментов, для прикрепления соседних дугообразных сегментов друг с другом,
причем корпус содержит кольцевую область на своей наружной поверхности, которая не имеет крепежных выступов и толщина которой от внутренней поверхности до наружной поверхности меньше, чем толщина корпуса в месте расположения крепежного выступа от внутренней поверхности до наружной поверхности.

2. Турбина по п.1, в которой указанная кольцевая область расположена смежно с передней кромкой корпуса.

3. Турбина по п.2, в которой крепежный выступ проходит в направлении спереди назад на наружной поверхности корпуса от задней кромки корпуса к указанной кольцевой области.

4. Турбина по п.3, в которой крепежный выступ проходит непрерывно от задней кромки корпуса к указанной кольцевой области.

5. Турбина по п.1, в которой крепежный выступ содержит фланцы, проходящие в радиальном направлении от соседних дугообразных сегментов из указанных дугообразных сегментов.

6. Турбина по п.5, в которой фланцы крепежного выступа соединены по меньшей мере одним из следующего: болтами, зажимами и сваркой.

7. Турбина по п.1, дополнительно содержащая ротор, содержащий несколько кольцевых ступеней рабочих лопаток, причем указанная кольцевая область корпуса соответствует расположению по меньшей мере одной кольцевой ступени рабочих лопаток.

8. Турбина по п.7, в которой ширина указанной кольцевой области корпуса больше, чем ширина кончиков рабочих лопаток указанной по меньшей мере одной кольцевой ступени рабочих лопаток.

9. Турбина по п.8, в которой указанная кольцевая область корпуса проходит по меньшей мере от передней кромки корпуса до задней стороны указанной по меньшей мере одной кольцевой ступени рабочих лопаток.

10. Турбина по п.1, в которой корпус содержит внутреннюю оболочку, содержащую несколько дугообразных сегментов, и наружную оболочку, окружающую внутреннюю оболочку с обеспечением герметичного уплотнения вокруг внутренней оболочки.

11. Корпус турбины, содержащий несколько дугообразных сегментов, каждый из которых имеет переднюю кромку на переднем конце, заднюю кромку на заднем конце и фланец на каждом боковом конце, предназначенный для соединения с фланцем соседнего дугообразного сегмента из указанных нескольких дугообразных сегментов, причем фланец проходит наружу от наружной поверхности каждого дугообразного сегмента вдоль наружной поверхности в направлении спереди назад, при этом каждый дугообразный сегмент имеет часть наружной поверхности, которая коллинеарна фланцу в направлении спереди назад и которая не содержит фланец, при этом ширина указанной части каждого дугообразного сегмента, которая не содержит фланец, от внутренней поверхности дугообразного сегмента до его наружной поверхности меньше, чем ширина дугообразного сегмента в месте расположения фланца от внутренней поверхности дугообразного сегмента до его наружной поверхности.

12. Корпус по п.11, в котором указанная часть наружной поверхности каждого из указанных дугообразных сегментов, которая не содержит фланец, расположена смежно с передней кромкой.

13. Корпус по п.12, в котором фланец проходит от задней кромки до указанной части наружной поверхности, которая не содержит фланец.

14. Корпус по п.13, в котором фланец проходит непрерывно от задней кромки до указанной части наружной поверхности, которая не содержит фланец.

15. Корпус по п.11, в котором ширина указанной части каждого из указанных дугообразных сегментов, которая не содержит фланец, соответствует заданной ширине рабочей лопатки турбины.

16. Корпус по п.11, в котором диаметр передней кромки меньше, чем диаметр задней кромки.

17. Корпус по п.16, в котором каждый из указанных дугообразных сегментов изогнут между передней кромкой и задней кромкой.

18. Корпус по п.11, в котором каждый фланец соединен с соседним фланцем по меньшей мере одним из следующего: болтами, зажимами и сваркой.