Теплозащитная стенка, корпус подшипника, корпус турбины для работающей на отработавших газах турбины и работающая на отработавших газах турбина (варианты) - RU2337248C2

Чертежи

Описание

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к области работающих на отработавших газах турбонагнетателей. Оно относится к работающей на отработавших газах турбине, в частности к корпусу подшипника, корпусу турбины, а также к теплозащитной стенке, работающей на отработавших газах турбины, при этом теплозащитная стенка в работающей на отработавших газах турбине ограничивает с корпусом турбины канал обдува турбинного колеса, при этом турбинное колесо расположено на валу, установленном с возможностью вращения в корпусе подшипника.

Уровень техники

Работающие на отработавших газах турбонагнетатели используются для увеличения мощности двигателей внутреннего сгорания. В нижнем диапазоне мощности вплоть до нескольких мегаватт используют преимущественно турбонагнетатели с радиально обдуваемым турбинным колесом и внутренней опорой вала, на котором установлено турбинное колесо.

В неохлаждаемых турбонагнетателях, в которых проводящие газ каналы не охлаждают, температура отработавших газов на входе в турбину выше, за счет чего повышается тепловой коэффициент полезного действия машины и мощность, отдаваемая на воздушный компрессор на единицу объема отработавших газов.

Неохлаждаемый корпус входа для газа или корпус турбины, который при работе имеет температуру, например, 650°С, обычно закреплен непосредственно на корпусе подшипника, значительно более холодном, с температурой, например, 150°С. В определенных областях применения, в противоположность проводящим газ каналам, корпус подшипника охлаждают до указанной температуры. Дополнительно к этому, как показано в ЕР 0856639, в зоне ведущего к турбинному колесу каналу обдува может быть расположена служащая в качестве защиты от нагревания промежуточная стенка, которая экранирует корпус подшипника от проходящих в канале обдува горячих отработавших газов. При этом промежуточная стенка может быть расположена отдельно от корпуса подшипника за счет соответствующей зоны воздушного или жидкостного охлаждения и иметь только несколько заданных контактных точек для исключения по возможности соответствующих тепловых мостиков с корпусом подшипника.

Для крепления корпуса турбины на корпусе подшипника в обычных работающих на отработавших газах турбинах используются накладки или соединения в виде так называемых профильных хомутов или V-образных лент. Для обеспечения возможно высокого коэффициента полезного действия необходимо удерживать воздушный зазор между турбинными лопатками и корпусом турбины по возможности меньшим. Однако это приводит к тому, что эта стенка корпуса и турбинное колесо, в частности при работе при полной нагрузке и при соответствующей тепловой нагрузке всех частей, центрируются относительно друг друга. Поскольку вследствие больших разниц температур между корпусом подшипника и корпусом турбины центрирующая посадка корпуса турбины иногда радиально расширяется к корпусу подшипника, то корпус турбины может утратить соосность с корпусом подшипника и, в частности, с установленным в нем турбинным валом, т.е. корпус турбины не будет больше центрирован относительно вала и расположенного на нем турбинного колеса. Такая потеря соосности, которая может быть усилена воздействием внешних сил, приводит к соприкосновению вершин турбинных лопаток со стенкой корпуса турбины, к соответствующему износу или поломкам и тем самым к значительному снижению коэффициента полезного действия работающей на отработавших газах турбины.

В ЕР 0118051 показано, как с помощью расположенных в форме звезды, подвижных в радиальном направлении соединений в виде канавки и гребня можно предотвращать потерю соосности более нагретой части.

Это обычное, однако относительно дорогостоящее решение, при котором процесс изготовления содержит наряду с чисто токарными операциями также фрезерные операции, обеспечивает на основе дискретных соединений в виде канавки и гребня лишь ограниченное число различных положений корпуса. Однако предпочтительным является решение, при котором положение корпуса турбины можно регулировать, по существу, бесступенчато относительно корпуса подшипника.

Раскрытие изобретения

В соответствии с этим, в основу изобретения положена задача создания работающей на отработавших газах турбины указанного в начале типа, которая обеспечивает повышение коэффициента полезного действия турбины за счет центрирования корпуса турбины относительно установленного в корпусе подшипника вала.

Эта задача решена согласно изобретению посредством теплозащитной стенки для работающей на отработавших газах турбины, при этом работающая на отработавших газах турбина имеет корпус турбины, установленный с возможностью вращения в корпусе подшипника вал, а также расположенное на валу турбинное колесо, и теплозащитная стенка вместе с корпусом турбины ограничивает канал обдува турбинного колеса, причем теплозащитная стенка для центрирования корпуса турбины относительно вала содержит, по меньшей мере, две опоры, при этом первая опора из, по меньшей мере, двух опор предназначена для опоры на корпус подшипника, а вторая опора из, по меньшей мере, двух опор предназначена для опоры на корпус турбины, при этом, по меньшей мере, одна первая или вторая опора выполнена в виде окружной кромки, которая предусмотрена для опоры на корпус подшипника и/или корпус турбины, а первая и вторая опора выполнены радиально направленными наружу.

Поставленная задача решена посредством теплозащитной стенки для работающей на отработавших газах турбины, при этом работающая на отработавших газах турбина имеет корпус турбины, установленный с возможностью вращения в корпусе подшипника вал, а также расположенное на валу турбинное колесо, и теплозащитная стенка вместе с корпусом турбины ограничивает канал обдува турбинного колеса, причем теплозащитная стенка для центрирования корпуса турбины относительно вала содержит, по меньшей мере, две опоры, при этом первая опора из, по меньшей мере, двух опор предназначена для опоры на корпус подшипника, а вторая опора из, по меньшей мере, двух опор предназначена для опоры на корпус турбины, при этом в теплозащитной стенке в зоне первой опоры или в зоне второй опоры выполнены канавки, которые предназначены для размещения центрирующих кулачков, расположенных на корпусе подшипника или на корпусе турбины.

Также поставленная задача решена посредством корпуса подшипника для работающей на отработавших газах турбины, при этом работающая на отработавших газах турбина содержит корпус турбины, установленный с возможностью вращения в корпусе подшипника вал, расположенное на валу турбинное колесо, а также ограничивающую в работающей на отработавших газах турбине вместе с корпусом турбины канал обдува турбинного колеса теплозащитную стенку, при этом теплозащитная стенка имеет средства для центрирования корпуса турбины относительно установленного в корпусе подшипника вала, причем корпус подшипника для центрирования корпуса турбины через теплозащитную стенку и относительно установленного в корпусе подшипника вала имеет центрирующие кулачки, которые предусмотрены для введения в канавки, которые выполнены в теплозащитной стенке.

Поставленная задача решена посредством корпуса подшипника для работающей на отработавших газах турбины, при этом работающая на отработавших газах турбина содержит корпус турбины, установленный с возможностью вращения в корпусе подшипника вал, расположенное на валу турбинное колесо, а также ограничивающую в работающей на отработавших газах турбине вместе с корпусом турбины канал обдува турбинного колеса теплозащитную стенку, при этом теплозащитная стенка имеет средства для центрирования корпуса турбины относительно установленного в корпусе подшипника вала, причем в корпусе подшипника для центрирования корпуса турбины через теплозащитную стенку и относительно установленного в корпусе подшипника вала выполнены канавки, проходящие радиально и предназначенные для размещения расположенных на теплозащитной стенке центрирующих кулачков.

Также задача решена посредством корпуса турбины для работающей на отработавших газах турбины, при этом работающая на отработавших газах турбина содержит корпус подшипника, установленный с возможностью вращения в корпусе подшипника вал, расположенное на валу турбинное колесо, а также ограничивающую в работающей на отработавших газах турбине вместе с корпусом турбины канал обдува турбинного колеса теплозащитную стенку, при этом теплозащитная стенка имеет средства для центрирования корпуса турбины относительно установленного в корпусе подшипника вала, причем для центрирования корпуса турбины через теплозащитную стенку и относительно установленного в корпусе подшипника вала предусмотрены центрирующие кулачки, которые предназначены для введения в канавки, которые выполнены в теплозащитной стенке.

Задача решена посредством корпуса турбины для работающей на отработавших газах турбины, при этом работающая на отработавших газах турбина содержит корпус подшипника, установленный с возможностью вращения в корпусе подшипника вал, расположенное на валу турбинное колесо, а также ограничивающую в работающей на отработавших газах турбине вместе с корпусом турбины канал обдува турбинного колеса теплозащитную стенку, при этом теплозащитная стенка имеет средства для центрирования корпуса турбины относительно установленного в корпусе подшипника вала, причем для центрирования корпуса турбины через теплозащитную стенку и относительно установленного в корпусе подшипника вала выполнены канавки, проходящие радиально и предназначенные для размещения расположенных на теплозащитной стенке центрирующих кулачков.

Поставленная задача решена посредством работающей на отработавших газах турбины, содержащей корпус турбины, установленный с возможностью вращения в корпусе подшипника вал, расположенное на валу турбинное колесо, а также теплозащитную стенку, при этом теплозащитная стенка вместе с корпусом турбины ограничивает канал обдува турбинного колеса, причем на корпусе подшипника и/или на корпусе турбины выполнена окружная кромка, предназначенная для опоры на окружную кромку теплозащитной стенки.

Задача решена посредством работающей на отработавших газах турбины, содержащей корпус турбины, установленный с возможностью вращения в корпусе подшипника вал, расположенное на валу турбинное колесо, а также теплозащитную стенку, при этом теплозащитная стенка вместе с корпусом турбины ограничивает канал обдува турбинного колеса, причем теплозащитная стенка для центрирования корпуса турбины относительно вала содержит, по меньшей мере, две опоры, при этом первая опора из, по меньшей мере, двух опор предназначена для опоры на корпус подшипника, а вторая опора из, по меньшей мере, двух опор предназначена для опоры на корпус турбины, при этом теплозащитная стенка в зоне первой опоры или в зоне второй опоры имеет центрирующие кулачки, которые предназначены для введения в радиально проходящие канавки, которые выполнены в корпусе подшипника или в корпусе турбины.

Задача решена посредством работающей на отработавших газах турбины, содержащей корпус турбины, установленный с возможностью вращения в корпусе подшипника вал, расположенное на валу турбинное колесо, а также теплозащитную стенку по п.2, при этом теплозащитная стенка вместе с корпусом турбины ограничивает канал обдува турбинного колеса, причем на корпусе подшипника или на корпусе турбины расположены центрирующие кулачки, предназначенные для введения в канавки, которые выполнены в теплозащитной стенке.

Обеспечиваемые за счет изобретения преимущества состоят в том, что можно обеспечивать центрирование корпуса турбины относительно установленного в корпусе подшипника вала без дополнительных деталей. Корпус подшипника, корпус турбины и теплозащитная стенка должны быть лишь немного дополнительно обработаны. За счет этого для работающей на отработавших газах турбины, по существу, не возникают дополнительные расходы.

Положение корпуса турбины относительно корпуса подшипника можно регулировать бесступенчато, поскольку согласно изобретению между корпусом подшипника и корпусом турбины не существует соединения с геометрическим замыканием.

Этот вид центрирования пригоден для всех распространенных видов соединения между корпусом подшипника и корпусом турбины, поскольку согласно изобретению центрирование обеспечивается с помощью деталей внутри корпуса турбины.

Краткое описание чертежей

Ниже приводится подробное описание изобретения со ссылками на чертежи с изображением примеров выполнения работающей на отработавших газах турбины, согласно изобретению. На всех фигурах действующие одинаково элементы обозначены одинаковыми позициями. На фигурах изображено:

фиг.1 - первый пример выполнения работающего на отработавших газах турбонагнетателя согласно изобретению;

фиг.2 - турбонагнетатель согласно фиг.1 в увеличенном масштабе;

фиг.3 - второй пример выполнения работающего на отработавших газах турбонагнетателя согласно изобретению;

фиг.4 - разрез по линии IV-IV на фиг.3;

фиг.5 - третий пример выполнения работающего на отработавших газах турбонагнетателя согласно изобретению;

фиг.6 - разрез по линии VI-VI на фиг.5.

Осуществление изобретения

Работающий на отработавших газах турбонагнетатель состоит, в основном, из неизображенного компрессора и схематично показанной на фиг.1 работающей на отработавших газах турбины в виде радиальной турбины. Работающая на отработавших газах турбина содержит, в основном, корпус 1 турбины с расположенным радиально снаружи, спиральным корпусом входа для газа и расположенной на стороне выхода газа стенкой 12 корпуса, корпус 4 подшипника с установленным с возможностью вращения с помощью подшипников 31 валом 3, а также расположенное на валу турбинное колесо 5 с лопатками 51 колеса. Со стороны компрессора на валу расположено также неизображенное колесо компрессора.

Корпус входа для газа переходит в направлении стрелки ниже по потоку в канал 6 обдува для отработавших газов, соединенный с работающим на отработавших газах турбонагнетателем также не изображенного двигателя внутреннего сгорания. Канал обдува с одной стороны ограничен расположенной на стороне выхода газа стенкой 12 корпуса, в то время как на другой стороне расположена в качестве защиты от перегрева дискообразная промежуточная стенка 2. Теплозащитная стенка, которая ограничивает, по меньшей мере, частично канал обдува на стороне корпуса подшипника и/или расположена, по меньшей мере, частично в осевом направлении между турбинным колесом и корпусом подшипника, экранирует лежащий за ней корпус подшипника от нагретых отработавших газов.

В канале обдува дополнительно расположено между теплозащитной стенкой и расположенной со стороны стенки 12 корпуса форсуночное кольцо 7.

Корпус 1 турбины закреплен в показанном примере выполнения на корпусе 4 подшипника с помощью накладок 43, при этом закрепленные с помощью винтов 42 на корпусе турбины накладки обеспечивают определенные перемещения корпуса турбины относительно корпуса 4 подшипника в радиальном направлении. Как показано на фиг.1, за счет привинчивания накладок 43 теплозащитная стенка 2, а также форсуночное кольцо 7 зажимаются между корпусом турбины 1 и корпусом 4 подшипника и соответственно закрепляются в осевом направлении. В остановленном состоянии работающей на отработавших газах турбины, когда корпус турбины и корпус подшипника холодные, корпус турбины опирается на корпус подшипника и за счет этого центрируется, соответственно, относительно вала и расположенного на нем турбинного колеса.

В показанном на фиг.2 в увеличенном масштабе первом варианте выполнения работающей на отработавших газах турбины согласно изобретению на теплозащитной стенке в радиально внутренней зоне расположена выполненная в виде окружной кромки опора 21, которая опирается также на выполненную в виде окружной кромки опору 41 корпуса подшипника. В остановленном состоянии работающей на отработавших газах турбины, когда наряду с корпусом подшипника также теплозащитная стенка является холодной, между обеими опорами может существовать небольшой воздушный зазор от нескольких микрон до нескольких сотен микрон, что обеспечивает, в частности, простой монтаж, т.е. надвигание теплозащитной стенки в осевом направлении на корпус подшипника. В радиально наружной зоне теплозащитная стенка опирается радиально наружной опорой 22 на радиально направленную внутрь опору 11 корпуса турбины, при этом в остановленном состоянии работающей на отработавших газах турбины между обеими опорами также существует соответствующий небольшой воздушный зазор.

В рабочем состоянии работающей на отработавших газах турбины, когда теплозащитная стенка имеет значительно более высокую температуру по сравнению с корпусом подшипника, теплозащитная стенка расширяется под воздействием тепла, в частности, в радиальном направлении. Оба воздушных зазора уменьшаются, при этом, в частности, внутренняя опора 21 теплозащитной стенки с большой силой прижимается к соответствующей опоре 41 корпуса турбины. Воздушный зазор между наружной опорой 22 теплозащитной стенки и опорой 11 корпуса турбины может, как правило, лишь уменьшаться, но не совсем закрываться, поскольку корпус турбины также расширяется из-за большого нагрева. За счет радиально внутренней опоры 21 теплозащитной стенки, которая опирается на опору 41 корпуса подшипника, обеспечивается точное центрирование теплозащитной стенки 2 и, за счет уменьшенного наружного воздушного зазора, также корпуса 1 турбины.

Если для теплозащитной стенки выбран материал с большим коэффициентом теплового расширения, чем у материала для корпуса турбины, то теплозащитная стенка расширяется сильнее, чем корпус турбины, и отжимает его наружу в радиальном направлении. За счет этого дополнительно улучшается центрирование корпуса турбины относительно теплозащитной стенки.

На фиг.3 и 4 показан второй вариант выполнения работающей на отработавших газах турбины согласно изобретению. В радиально внутренней зоне снова расположена выполненная в виде окружной кромки опора 21, которая снова опирается на выполненную также в виде окружной кромки опору 41 корпуса подшипника. Дополнительно или альтернативно к простой опоре 22 в радиально наружной зоне теплозащитной стенки 2 предусмотрены центрирующие кулачки 23, которые распределены вдоль окружности теплозащитной стенки. Они входят в соответствующие канавки 15 в корпусе турбины, за счет чего образуется радиальная направляющая корпуса 1 турбины относительно теплозащитной стенки 2. В остановленном состоянии работающей на отработавших газах турбины имеются, в частности, в зоне внутренних опор соответствующие воздушные зазоры, что снова обеспечивает простой монтаж теплозащитной стенки. При этом ориентированная с помощью центрирующих кулачков 23 соответствующим образом теплозащитная стенка 2 вдвигается в радиальном направлении в корпус 1 турбины. В рабочем состоянии теплозащитная стенка снова расширяется в радиальном направлении. Воздушный зазор закрывается, и опора 21 теплозащитной стенки прижимается к соответствующей опоре 41 корпуса подшипника и соответствующим образом центрируется. В радиально наружной зоне центрирование корпуса 1 турбины обеспечивается входящими в канавки 15 центрирующими кулачками 23.

В качестве альтернативного решения центрирующие кулачки могут быть расположены на стороне корпуса турбины, а соответствующие канавки могут быть выполнены в теплозащитной стенке. Или же канавки могут быть выполнены как в корпусе турбины, так и в теплозащитной стенке, в которые вдвигаются в осевом направлении соединительные клинья или пробки.

Этот второй вариант выполнения пригоден, в частности, при очень высоких температурах корпуса турбины, поскольку благодаря радиально направленным канавкам и входящим в них центрирующим кулачкам обеспечивается центрирование корпуса турбины относительно теплозащитной стенки независимо от теплового расширения корпуса турбины.

Несмотря на это соединение с геометрическим замыканием между корпусом турбины и теплозащитной стенкой, можно бесступенчато регулировать положение корпуса турбины относительно корпуса подшипника, поскольку между теплозащитной стенкой и корпусом подшипника и, тем самым, между корпусом турбины и корпусом подшипника не имеется соединения с геометрическим замыканием.

На фиг.5 и 6 показан слегка измененный относительно второго варианта выполнения третий вариант выполнения работающей на отработавших газах турбины согласно изобретению. Центрирующие кулачки 23 предусмотрены в радиально внутренней зоне теплозащитной стенки. При этом кулачки 23 могут быть расположены на теплозащитной стенке и входить в соответствующие канавки 45 в корпусе подшипника, или же кулачки 23 могут быть расположены на корпусе подшипника, которые входят в соответствующие канавки в теплозащитной стенке. В последнем случае канавки могут быть выполнены в виде сквозных отверстий или же в виде поверхностных углублений в теплозащитной стенке. За счет этого образуется радиальная направляющая теплозащитной стенки 2 относительно корпуса 4 подшипника. В радиально наружной зоне теплозащитная стенка в соответствии с первым вариантом выполнения опирается радиально наружной опорой 22 на направленную радиально внутрь опору 11 корпуса турбины, при этом в остановленном состоянии работающей на отработавших газах турбины снова имеется соответствующий воздушный зазор, что обеспечивает монтаж теплозащитной стенки. При этом соответствующим образом ориентированная с помощью центрирующих кулачков теплозащитная стенка 2 надвигается в осевом направлении на корпус 4 подшипника. В рабочем состоянии теплозащитная стенка снова расширяется в радиальном направлении. Как указывалось выше, в наружной зоне уменьшается воздушный зазор и приводит тем самым к соответствующему центрированию корпуса турбины относительно теплозащитной стенки. Снова можно за счет выбора материала с соответствующим большим коэффициентом теплового расширения увеличивать расширение теплозащитной стенки с целью дополнительного улучшения центрирования корпуса турбины относительно теплозащитной стенки. Благодаря независящему от температуры центрированию теплозащитной стенки относительно корпуса подшипника с помощью расположенных во внутренней зоне центрирующих кулачков, этот вариант выполнения пригоден, в частности, для переходного режима или для низких температур входа для газа.

Несмотря на соединение с геометрическим замыканием между корпусом турбины и теплозащитной стенкой, можно регулировать положение корпуса турбины относительно корпуса подшипника под любым углом, как и в первых двух вариантах выполнения, поскольку между теплозащитной стенкой и корпусом подшипника и, тем самым, между корпусом турбины и корпусом подшипника не имеется соединения с геометрическим замыканием.

Подходящим материалом для теплозащитной стенки во всех трех вариантах выполнения может быть, например, нирезист, имеющий по сравнению с чугуном на около 30% более высокий коэффициент теплового расширения.

В радиально наружной зоне теплозащитной стенки опора на корпус турбины может осуществляться также через расположенный между теплозащитной стенкой и корпусом турбины промежуточный элемент, в частности через части расположенного в обдувном канале форсуночного кольца. При этом форсуночное кольцо и теплозащитную стенку или же части форсуночного кольца и теплозащитную стенку можно изготавливать в виде цельной части.

Реферат

Работающая на отработавших газах турбина содержит корпус турбины, вал, установленный с возможностью вращения в корпусе подшипника, турбинное колесо, расположенное на валу, а также теплозащитную стенку. Теплозащитная стенка вместе с корпусом турбины ограничивает канал обдува турбинного колеса и содержит две опоры. Первая опора из двух опор предназначена для опоры на корпус подшипника, а вторая - для опоры на корпус турбины. В одном варианте, по меньшей мере, одна из опор выполнена в виде окружной кромки, которая предназначена для опоры на корпус подшипника и/или корпус турбины, причем обе опоры направлены радиально наружу. На корпусе подшипника и/или на корпусе турбины выполнена окружная кромка, предназначенная для опоры на окружную кромку теплозащитной стенки. В другом варианте теплозащитная стенка в зоне первой опоры или в зоне второй опоры имеет центрирующие кулачки, которые предназначены для введения в радиально проходящие канавки, которые выполнены в корпусе подшипника или в корпусе турбины. В третьем варианте в теплозащитной стенке в зоне первой опоры или в зоне второй опоры выполнены канавки, предназначенные для размещения центрирующих кулачков, расположенных на корпусе подшипника или корпусе турбины. Другие изобретения группы касаются теплозащитной стенки, корпуса подшипника и корпуса турбины и предназначены для использования в приведенной выше турбине, работающей на отработавших газах. Изобретения позволяют обеспечить простое и надежное центрирование корпуса турбины относительно установленного в корпусе подшипника вала без применения дополнительных деталей. 9 н.п. ф-лы, 6 ил.

Формула