ступень турбомашины

Формула изобретения

СТУПЕНЬ ТУРБОМАШИНЫ, содержащая ротор со ступицей, напорной втулкой направляющего аппарата с внутренней и наружной полками и козырьком, установленным в выемке корпуса над наружной полкой, рабочих лопаток, отличающаяся тем, что, с целью увеличения виброустойчивости при супервысокоскоростном режиме работы турбомашины, ступица ротора выполнена с прямолинейным профилем продольного рабочего сечения, а опорная втулка установлена относительно козырька со смещением вверх на величину рабочего эксцентриситета.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области турбостроения и может найти применение в компрессоростроении и в насосостроении, предназначено для использования в многоступенчатых турбомашинах большой мощности.

Известна установка с горизонтальной турбиной, лопатки которой посредством шипов связаны с венцом (короной), жестко присоединенным к полому ротору генератора электрического тока, который размещен внутри статора генератора, т. е. турбина оказалась встроенной в электрогенератор. При этом венец (корона) проходит через прорезь в корпусе турбины и опирается на гидропоршни, установленные на его наружной поверхности [1].

Наиболее близким техническим решением является ступень турбомашины, содержащая ротор со ступицей и опорной втулкой направляющего аппарата с внутренней и наружной полками и козырьком, установленным в выемке корпуса над наружной полкой рабочих лопаток [2].

К недостаткам известных технических решений относятся:

- повышение утечки рабочего тела из проточной части турбины вследствие разгерметизации корпуса и больших давлений внутри корпуса; это совершенно неприемлемо для подавляющего большинства турбин (особенно многоступенчатых большой мощности);

- невозможность добиться повышения быстроходности турбины вследствие большого расстояния центра массы полого ротора электрогенератора от оси его вращения, что увеличивает центробежные силы;

- ограничения в повышении быстроходности турбины и наличие больших перетечек в проточной части вследствие сохранения традиционной компоновки ее основных элементов;

- ограниченное применение выбранной компоновки установки - только для прямого привода (без понижающего редуктора) электрогенератора малой мощности;

- сильное ограничение в повышении быстроходности турбины вследствие присутствия в консольной части ее силового вала сосредоточенной массы колеса и рабочего лопаточного венца, что приводит к увеличению поперечных инерционных нагрузок, а следовательно, и к резкому уменьшению виброустойчивости ротора турбомашины.

Цель изобретения - увеличение виброустойчивости при супервысокоскоростном режиме работы турбомашины.

Указанная цель достигается тем, что ступица ротора выполнена с прямолинейным профилем продольного рабочего сечения, а опорная втулка установлена относительно козырька со смещением вверх на величину рабочего эксцентриситета.

На чертеже изображено устройство, которое содержит статор 1 направляющего аппарата, неразрезной полый цилиндрический корпус 2 для опорного и упорных подшипников, выполненный заодно целое с направляющим венцом, смещенным относительно этого корпуса на величину расчетного эксцентриситета опорного подшипника, втулку 3 опорного подшипника и втулки 4 упорных подшипников, рабочий лопаточный венец 5 с осевыми пазами 6 во внутренней его полке, кольцевой фиксатор 7 втулки 3, силовой вал 8 со ступицей 9, радиальные штыри-пальцы 10, неразрезную втулку 11 лабиринтного уплотнения, упорные неразрезные уплотнительные подпружиненные пористые втулки 12, кольцевые фиксаторы 13 втулок 11, кольцевые пазы 14, каналы 15 в лопатках и каналы 16 в полках направляющего венца, кольцевые пазы 17, канал 18 и выточку 19 в статоре 1, шпонки 20, упругие шайбы 21, штифты 22, осевой зазор 23, подпружиненные кольцевые усики 24, кольцевые проточки 25, радиальные зазоры и .

Для уменьшения протечек в проточной части турбины установлена наряду с пористыми втулками 12 также и неразрезная втулка лабиринтного уплотнения. Для предотвращения попадания загрязненной рабочей среды в осевые зазоры 23 в пазах неразрезного корпуса 2 установлены подпружиненные кольцевые усики 24. С целью снижения напряжений в выходных кромках лопаток в полках направляющего и рабочего венцов выполнены кольцевые проточки 25.

Устройство работает следующим образом.

В неподвижные каналы (сопла), сформированные лопатками в направляющем венце, расположенном в статоре 1, поступает рабочая среда с давлением Р_о и температурой t_o. Начальное давление Р_о выше, чем давление Р₂ за машиной, поэтому рабочая среда обладает запасом тепловой (потенциальной) энергии, которая преобразуется в механическую работу по известному для турбин принципу. Одновременно рабочая среда, пропущенная через фильтры, подается через каналы 18 в статоре 1 к кольцевым пазам 17, а затем через соответствующие каналы 15 и 16 и пазы 14 поступает на втулки 3 и 4 опорного и упорного подшипников, а также на уплотнительные подпружиненные пористые втулки 12. При наборе оборотов рабочий венец 5 устанавливается с определенным рабочим эксцентриситетом относительно втулки 3 и прижимается потоком рабочей среды к втулке 4. Втулка 3 и 4 в свою очередь опираются на неразрезной полый цилиндрический корпус 2, выставляемый в выточке 19 статора 1 при помощи шпонок 20 с упругими шайбами 21 и штифтом 22 с расчетными зазорам. При этом рабочий венец 5, имеющий по внутреннему периметру осевые пазы 6, связаны со ступицей 9 силового вала 8 посредством, например, радиальных штырей-пальцев 10, которые входят в указанные пазы 6 с радиальным зазором , обеспечивающим самоустанавливаемость венца 5 относительно ступицы и втулки 3. Кроме того, между внутренней кромкой обода рабочего венца 5 и ступицей 9 устанавливается зазор , величина которого должна быть такой, чтобы исключить касания обода венца 5 и ступицы 9 во время работы турбомашины. В результате принятых технических решений ступица 9 разгружается от воздействия центробежных сил со стороны рабочего венца 5 и силовой вал 8 со ступицей 9 может быть изготовлен довольно легким, рабочий венец 5 при этом работает на сжатие и может быть изготовлен из керамики, выдерживающей сжимающие напряжения, почти на порядок превышающие допустимые растягивающие напряжения. Обоснование выбранных рабочего эксцентриситета опорного подшипника _р и радиальных зазоров и .

Если предполагается работа подшипника при докритической угловой скорости ( < _пр), то для горизонтального вала рабочий эксцентриситет _р устанавливается исходя из неравенства _р < g/². В противном случае должно выполняться условие g/² < _p < 4g/². При этом целесообразно выполнение неравенства _p 0,5 С, где С - средний радиальный зазор, при выборе которого следует руководствоваться соотношением С/ro = 0,0005...0,0015 (здесь r_o - радиус вала).

Величина зазора должна быть не меньше величины радиального зазора C: C. На величину зазора накладывается два ограничения: во-первых, с целью обеспечения нужного рабочего эксцентриситета в опорном подшипнике должно соблюдаться соотношение , во-вторых, из-за отклонений упорного подшипника от перпендикулярности и должно выполняться соотношение Btg , где b - ширина рабочего венца; - угол предельного отклонения упорного подшипника от перпендикулярности, который при изготовлении рабочих деталей турбомашины по нормам общего машиностроения (степень точности 3 или 4) составит порядка = 0,1 10^-3 град.