Отводная система для опорных подшипников газовой турбины - RU2269666C2

Чертежи

Описание

Настоящее изобретение относится к отводной системе для опорных подшипников газовой турбины.

Газовой турбиной обычно называют вращающийся тепловой двигатель, который преобразует тепло в работу с использованием газа, непосредственно получаемого при сгорании, и который подает механическую энергию на вращающийся вал.

Обычно она состоит из компрессора или турбокомпрессора обычно осевого типа, в котором сжимается воздух, поступающий из окружающей среды.

Кроме того, различные форсунки подают топливо, которое смешивается с воздухом для формирования топливовоздушной смеси.

Осевой компрессор приводит в действие связанная с ним турбина, которая подает пользователю механическую энергию, преобразуя в нее теплосодержание газообразных продуктов сгорания, полученных в камере сгорания.

Специально предназначенная турбина, турбокомпрессор, камера сгорания (или котел), выходной вал для передачи механической энергии, система управления и пусковая система составляют ключевые компоненты газотурбинной установки.

В отношении работы газовой турбины следует отметить, что поток поступает в компрессор через серию впускных труб.

Проходя по этим каналам, газ имеет низкое давление и низкую температуру, однако, проходя через компрессор, газ сжимается и его температура возрастает.

Затем он поступает в камеру сгорания (или в котельную камеру), где его температура дополнительно повышается.

Тепло, необходимое для повышения температуры газа, поступает от сгорания жидкого топлива, подаваемого в котельную камеру сгорания форсунками.

Воспламенение топлива при запуске установки осуществляется свечами зажигания.

Выходя из камеры сгорания по противоположным трубам, газ под высоким давлением и с высокой температурой поступает в турбину, где он отдает часть энергии, полученной в компрессоре и в нагревательной камере (камере сгорания), и затем выпускается наружу по выпускным каналам.

Поскольку работа, сообщаемая газом турбине, больше поглощенной компрессором, остается определенное количество энергии, передаваемой на вал, которая, за вычетом работы, поглощенной вспомогательными средствами и пассивным сопротивлением механических компонентов при их движении, составляет полезную работу установки.

С точки зрения конструкции, лопатки осевого компрессора и турбины установлены на одном валу, который удерживается двумя опорными подшипниками, обычно выполненными из двух половин, соединенных в горизонтальной плоскости.

Указанная широко распространенная компоновка опорных подшипников предусматривает использование первого опорного подшипника, расположенного на входе компрессора, тогда как второй опорный подшипник располагается между осевым компрессором и турбиной, и эта конструкция очень громоздка и создает большое сопротивление.

В этом случае второй опорный подшипник должен устанавливаться внутри цилиндрического пространства, образуемого вокруг части вала, проходящего между осевым компрессором и турбиной.

Для упрощения на фиг.1 показан схематический и частичный вид газотурбинной установки известного типа.

Как ясно видно на фигуре, наружный диаметр D2 цилиндрического пространства 10 для содержания и установки второго опорного подшипника (имеющего диаметр D1) задан внутренним диаметром D3 диффузора, который расположен на выходе осевого компрессора 11 и перед турбиной 15, уменьшенным на толщину D4 рукава 12.

Контейнер или рукав 12 должен быть жестким и должен обеспечивать содержание воздуха под высоким давлением и является частью корпуса, который должен удерживать основные компоненты системы сгорания (горелки, другие включенные в работу механические компоненты) и должен быть стойким к высокой температуре, генерируемой внутри и вокруг него.

Наконец, внутренний диаметр D1 второго опорного подшипника известной газовой турбины задан диаметром вала, который несет лопатки компрессора 11 и турбины 15, центральная ось которого обозначена на фиг.1 буквой X.

Кроме того, расположение опорного подшипника является безусловно критическим в отношении использования пространства, доступного для размещения самого кожуха подшипника и вспомогательных соединений, таких как трубопроводы, по которым течет смазочное масло, и средства для удерживания воздуха.

В действительности трубы, по которым проходит смазочное масло, должны устанавливаться так, чтобы они соединяли различные камеры, разделенные стенками внутреннего цилиндра, где существует заметный перепад давлений.

Кроме того, их соединители должны быть очень надежными и не допускающими утечки и любой потери масла наружу, которое могло бы создавать угрозу пожара.

Однако, в то же время, общие размеры второго опорного подшипника должны быть достаточно большими для придания оси турбины требуемой жесткости.

Проблема плотности использования доступного пространства и факт работы при высокой температуре являются условиями, которые требуют усиленного потока смазочного масла. Размеры опорных подшипников и величина зазоров вызывают большие потери мощности и, вследствие этого, усиленные потоки масла для смазки и охлаждения.

В действительности в каждом случае всегда необходимо подавать больший поток масла, чем реально необходимо, для охлаждения опорного подшипника, поскольку в противном случае его кожух нагревается до очень высокой температуры.

Кроме того, необходимо создавать соответствующий поток воздуха в кожух опорного подшипника и таким образом накапливать его вновь снаружи таким образом, чтобы исключать накапливание горячего воздуха в пространстве вокруг кожуха опорного подшипника и предотвращать потерю смазочного масла через торцевые уплотнения кожуха.

Воздух нагнетают в контейнер, большая его часть должна снова накапливаться снаружи со смазочным маслом.

Воздух, находящийся в трубопроводе, должен иметь возможность протекать с низкой скоростью таким образом, чтобы способствовать потоку масла, используемого для смазки и охлаждения опорного подшипника и кожуха опорного подшипника.

Однако такие условия не могут достигаться, если существуют существенные потери относительно геометрических характеристик подключенного электродвигателя.

Фактически внешние защитные кожухи электродвигателей в таком виде очень сложны и очень дороги в производстве относительно таких традиционных решений.

Несмотря на все это, в настоящее время трубопроводы все еще конструируют так, чтобы получать потоки масла, движущиеся под действием силы тяжести с указанными выше последствиями, заключающимися в более высокой стоимости и меньшей эффективности.

В альтернативном варианте смазочные и охлаждающие текучие среды могут накапливаться снаружи при помощи вакуумного насоса. Однако в этом случае также возникают закономерные проблемы стоимости и надежности.

Известна отводная система для газогенератора, причем указанный генератор включает осевой воздушный компрессор, приводимый в действие газовой турбиной с множеством лопаток, где лопатки компрессора и турбины установлены на общем валу, поддерживаемом опорными подшипниками, из числа которых первый подшипник расположен на входе компрессора, и второй подшипник расположен между осевым компрессором и турбиной, по меньшей мере один из подшипников помещен в муфту, и вал окружен множеством опорных средств, прикрепленных к кожуху, который ограничивает боковые маслосборные камеры вокруг подшипников, при этом смазочная и охлаждающая жидкость подается к опорной поверхности подшипников при помощи трубопроводов, используемых для подачи и выпуска жидкости (см. патент США №4046223). Однако эта система не устраняет полностью упомянутые проблемы.

Таким образом, задачей настоящего изобретения является получение отводной системы для опорных подшипников газовой турбины, которая исключает указанные выше недостатки и, в частности, получение отводной системы для опорных подшипников газовой турбины таким образом, чтобы она удовлетворяла указанным выше требованиям в отношении простоты, экономичности, надежности и компактности.

Другой задачей настоящего изобретения является получение отводной системы для опорных подшипников газовой турбины, которая дает возможность повышения скорости вращения турбины и соотношения температуры и давления в газовой турбине.

Эти и другие задачи, согласно изобретению, могут быть решены с использованием отводной системы для газогенератора, причем указанный генератор включает осевой воздушный компрессор, приводимый в действие газовой турбиной с множеством лопаток, указанные лопатки компрессора и турбины установлены на общем валу, поддерживаемом опорными подшипниками, из числа которых первый подшипник расположен на входе компрессора, и второй подшипник расположен между осевым компрессором и турбиной, по меньшей мере один из подшипников помещен в муфту, и вал окружен множеством опорных средств, прикрепленных к кожуху, который ограничивает боковые маслосборные камеры вокруг подшипников, при этом смазочная и охлаждающая жидкость подается к опорной поверхности подшипников при помощи трубопроводов, используемых для подачи и выпуска жидкости, в которой согласно изобретению первое количество смазочной жидкости свободно выпускается под действием силы тяжести в боковые маслосборные камеры, из которых жидкость вытекает по выпускному трубопроводу, тогда как второе количество смазочной жидкости заключено в пространство, окружающее муфту подшипника, в котором второе количество жидкости подвергается воздействию перепада давлений относительно давления в маслосборных камерах, и множество плавающих уплотнений предусмотрено на концах каждого подшипника для создания указанного перепада давлений.

Кроме того, могут быть предусмотрены отверстия для соединения боковых маслосборных камер с выпускным трубопроводом. Плавающие уплотнения представлены двумя плавающими кольцами. Выпускной трубопровод расположен ниже и в середине муфты.

Как ясно из вышеизложенного, система согласно изобретению включает серию боковых уплотнений, расположенных так, что они обращены к опорному подшипнику, что создает перепад давлений, который обеспечивает движение масла в отводные трубы с постоянной скоростью. Защитная муфта содержит серию боковых камер, камеру для накопления масла под давлением, соединительные отверстия между боковыми камерами и отводные трубы для масла; накопительная камера принимает часть потока, который сливается из турбины под действием силы тяжести, тогда как внутри камеры масло, достигающее уровня, соответствующего заданной скорости потока, переливается в отводную трубу.

Большая часть жидкости заключена в накопительную камеру, которая окружает защитную муфту опорного подшипника, до того момента, когда в указанной накопительной камере не возникнет внутреннее избыточное давление, которое вызывает выталкивание жидкости с высокой скоростью.

Это явление выталкивания вызывает испускание струй жидкости, соответствующих заданным частям элементов, прикрепленных к самому центральному валу, что вызывает перелив моторной жидкости из боковых камер и следующий из этого перелив жидкости, сливаемой наружу.

Преимущество данной системы заключается в том, что отводная система для опорных подшипников газовой турбины, соответствующая настоящему изобретению, обеспечивает уменьшение до минимума размеров муфты, содержащей опорные подшипники, и соответствующих труб газовой турбины, одновременно оптимизируя возможность извлечения энергии из жидкости под давлением, находящейся вокруг муфты опорного подшипника.

В дополнение к этому, отводные трубы будут расположены ниже и по существу в центре защитной муфты опорных подшипников так, чтобы уменьшать до минимума осевые размеры муфты относительно общепринятого способа.

Кроме того, радиальные размеры будут уменьшены относительно общепринятого способа в такой степени, что больше нет необходимости устанавливать камеру для накопления жидкости, расположенную снаружи от системы, для повышения уровня жидкости и получения потенциальной энергии, достаточной для компенсации потери давления во впускной и выпускной трубах и гидродинамического сопротивления.

Отличительные признаки и преимущества отводной системы, соответствующей настоящему изобретению, будут понятнее при ознакомлении с нижеследующим описанием типичного варианта осуществления изобретения, данного в качестве не вносящего ограничений примера со ссылками на прилагаемые схематические чертежи, на которых:

фиг.1 изображает схематический вид газовой турбины известного типа;

фиг.2 изображает поперечное сечение опорного подшипника, соединенного с центральным валом и с наружным "внутренним цилиндром" в соответствии с изобретением;

фиг.3 изображает продольное сечение устройства, показанного на фиг.2, выполненное в заданной плоскости;

фиг.4 изображает продольное сечение устройства, показанного на фиг.2, выполненное в другой плоскости;

фиг.5 изображает перспективный вид муфты второго опорного подшипника газовой турбины, соответствующего настоящему изобретению.

На фиг.2-5 ссылочной позицией 20 обозначен центральный вал газовой турбины, позицией 21 обозначена серия вкладышей, прикрепленных к кожуху 22 для вкладышей, который выполняет закрывающую или опорную функцию, позицией 23 обозначена муфта для размещения второго опорного подшипника турбины и позициями 24 и 25 обозначены две пары труб соответственно для входа и слива смазочного и охлаждающего масла.

Кроме того, позицией 26 обозначены в целом боковые уплотнения, позицией 27 обозначены боковые камеры, позицией 28 обозначена камера для накопления масла под давлением и позицией 29 обозначены соединительные отверстия между боковыми камерами 27 и трубами 25 для слива масла.

Согласно настоящему изобретению, его замысел предусматривает возможность свободного слива (только под действием силы тяжести) только части смазочного масла, которое поступает в накопительную камеру 28 или накопительную емкость, расположенную под муфтой 23 второго опорного подшипника газовой турбины.

Внутри накопительной камеры 28 уровень масла повышается до точки, в которой скорость потока такова, что он переливается в отводную трубу 25.

Таким образом, большая часть масла заключена в пространстве, которое окружает защитную конструкцию опорного подшипника.

Боковые уплотнения 26 (которые в примере предпочтительного варианта осуществления изобретения для иллюстрации, не вносящей ограничений, представлены плавающими кольцами) расположены так, что они обращены к опорному подшипнику, создавая адекватный перепад давлений (в направлении накопительной системы) таким образом, чтобы масло протекало непосредственно в отводные трубы 25 с существенно повышенной скоростью.

Благодаря новой форме муфты опорного подшипника, схематически показанной на фиг.5, в системе, соответствующей настоящему изобретению, используется избыточное давление в пространстве вокруг подшипника для обеспечения выталкивания масла с увеличенной скоростью и, таким образом, принудительного направления масла, находящегося в накопительной камере 28, в отводные трубы 25.

На практике струи масла образуются в области частей 30 на фиг.4 при прогоне моторной жидкости или переливе моторного масла из боковых камер 27.

Таким образом, посредством надлежащего исследования геометрической структуры компонентов отводной системы для опорных подшипников было достигнуто существенное уменьшение размеров трубопроводов, тогда как процедура выталкивания масла допускает последовательный перелив других потоков масла, которые проходят в турбине и переливаются наружу только под действием силы тяжести, причем следует отметить, что количество масла, которое поступает от боковых кольцевых уплотнений 26, является дополнительным количеством масла, которое поступает из боковых камер 27 для охлаждения.

Направления, в которых масло стекает из муфты 23 опорного подшипника, ясно показаны на фиг.5 стрелками F.

Ясно, что без использования дорогих или сложных компонентов, таких как внешние эжекторы или вакуумные насосы, можно уменьшить до минимальных размеры защитной муфты опорного подшипника турбины и протяженность соответствующих трубопроводов. С другой стороны, оптимизируется извлечение энергии масла под давлением, находящегося вокруг внешней муфты подшипника.

Другое преимущество состоит в том, что отводные трубы 25 располагаются ниже и в середине муфты 23 опорного подшипника, что уменьшает осевую длину муфты до минимального значения, которое состоит из суммы осевой длины подшипника и боковых уплотнений 26 с добавлением двух пространств, соответствующих двум узким камерам, расположенным между подшипником и уплотнениями 26.

С другой стороны, использование отводной системы, соответствующей настоящему изобретению, будет дополнительно уменьшать радиальные размеры, поскольку больше нет необходимости в установке контейнера или накопительной емкости снаружи от системы для повышения уровня масла и получения потенциальной энергии, достаточной для компенсации потерь в трубопроводе и гидродинамического сопротивления.

При ознакомлении с приведенным описанием будут понятны отличительные признаки отводной системы опорных подшипников газовой турбины, соответствующей настоящему изобретению, а также полученные преимущества.

Наконец, очевидно, что существует много других вариантов, которые могут применяться в отводной системе, являющейся объектом настоящего изобретения, без отхода от принципа новизны, присущего замыслу изобретения, поскольку также понятно, что при практическом осуществлении изобретения могут использоваться любые материалы, размеры и конфигурации в соответствии с потребностями, и детали могут заменяться другими, которые являются технически эквивалентными.

Объем настоящего изобретения определен прилагаемой формулой изобретения.

Реферат

Отводная система для опорных элементов или подшипников газовой турбины, в частности для второго опорного подшипника, состоит из центрального вала, окруженного серией опорных вкладышей, которые в свою очередь соединены с кожухом для вкладышей, муфты для размещения второго опорного подшипника турбины и серии труб соответственно для подачи и выпуска смазочного и охлаждающего масла; в дополнение к этому система состоит из серии боковых уплотнений, расположенных так, что они обращены ко второму опорному подшипнику, что создает перепад давлений, который обеспечивает движение масла под давлением в сливные трубы с постоянной скоростью. Такое выполнение системы позволит сделать ее простой, экономичной, надежной и компактной, а также дает возможность повысить скорость вращения турбины и соотношения температуры и давления в газовой турбине. 3 з.п. ф-лы, 5 ил.

Формула