PL183594B1 - Sposób kompensowania sił poosiowych w maszynie wirnikowej i maszyna wirnikowa - Google Patents

Abstract

1 Sposób kompensowania sil poosiowych w maszynie wirni- kowej z kadlubem zewnetrznym i kadlubem wewnetrznym wzgled- nie nosnikiem lopatek kierowniczych, zwlaszcza w silniku turbinowym o konstrukcji garnkowej, przy czym cisnienie plynu przeplywajacego przez maszyne wirnikowa wywoluje sile osiow a w kierunku wzdluznym walu co najmniej na kadlubie wewnetrz- nym, a na strone zew netrzna jednej czesci kadluba wewnetrznego kieruje sie cisnienie do kompensowania sil poosiowych, znam ien- ny tym, ze na co najmniej jed n a pierwsza powierzchnie (A1+A3) strony zewnetrznej czesci kadluba wewnetrznego (2), podzielona na dwie powierzchnie czesciowe (A 1, A3) przez co najmniej jedno uszczelnienie (7), kieruje sie cisnienie tak, ze do kazdej z powierzchni czesciowych (A1, A3) odgraniczonych od siebie wzajemnie uszczel- nieniem (7) kieruje sie inne cisnienie (P1, P3) 6 M aszyna wirnikowa z kadlubem zewnetrznym 1 kadlubem wewnetrznym wzglednie nosnikiem lopatek kierowniczych, zwlaszcza silnik turbinowy o konstrukcji garnkowej, przy czym cis- nienie wylotowe plynu przeplywajacego przez maszyne wirnikowa wywoluje sile osiow a w kierunku wzdluznym walu co najmniej na kadlubie wewnetrznym, znam ienna tyra, ze zawiera uszczelnienie (7), które jest usytuowane wzgledem kadluba wewnetrznego (2) tur- biny tak, ze co najmniej jedna pierwsza powierzchnia (A 1 + A3) stro- ny zewnetrznej kadluba wewnetrznego (2) jest podzielona na dwie powierzchnie czesciowe (A1, A3), które to powierzchnie czesciowe (A1, A3) sa oddzielone od siebie wzajemnie przez to uszczelnienie (7) F IG 1 PL PL

Description

Przedmiotem wynalazkujest sposób kompensowania sił poosiowych w maszynie wirnikowej i maszyna wirnikowa z kadłubem zewnętrznym i kadłubem wewnętrznym względnie nośnikiem łopatek kierowniczych do kompensowania sił poosiowych. W szczególności wynalazek znajduje zastosowanie w silnikach turbinowych o garnkowym typie konstrukcji, przy czym ciśnienie płynu przepływającego przez maszynę wirnikową wywołuje siłę osiową w kierunku wzdłużnym wału przynajmniej na wewnętrznym korpusie.

183 594

Wiadomo, że w maszynach wirnikowych z wysokim ciśnieniem wewnętrznym kadłub dzieli się na kadłub wewnętrzny i kadłub zewnętrzny. W niemieckim opisie patentowym nr DE 22 18 500 opisany jest wielopowłokowy korpus turbiny parowej na wysokie ciśnienia i temperatury pary. W przedstawionej konstrukcji turbiny na wysokie ciśnienie o garnkowym typie konstrukcji para dolotowa o wysokim ciśnieniu wchodzi do korpusu wewnętrznego. Po rozprężeniu o około 20% całego spadu turbiny częściowej para jest prowadzona przez otwory do kadłuba zewnętrznego i naciska w ten sposób w obszarze dalszego procesu rozprężania kadłub wewnętrzny w obszarze powierzchni podziału. Przy podkrytycznych stanach pary wybierana jest konstrukcja z nośnikiem łopatek kierujących. Para dolotowa utrzymuje przy tym pełne ciśnienie w przestrzeni między kadłubem wewnętrznym i kadłubem zewnętrznym i ściska w ten sposób obie połówki nośnika. W dalszej części opisu określenie “kadłub wewnętrzny” obejmuje także zawsze rozwiązanie konstrukcyjne z nośnikiem łopatek kierujących. Oddziaływujące na różnych powierzchniach ciśnienia powodują więc przy ich nałożeniu teraz wypadkowy napór na części konstrukcyjne, który musi być pochłonięty przez odpowiednie urządzenia na kadłubie wewnętrznym i/lub kadłubie zewnętrznym i/lub na wale. Ponadto wiadomo, że przestrzeń pośrednia pomiędzy kadłubem wewnętrznym i kadłubem zewnętrznym uszczelniona jest względem strony wylotowej płynu przepływającego przez maszynę wirnikową, tak że różnica ciśnień pomiędzy wlotem i wylotem ma być przyjęta przez kadłub wewnętrzny, podczas gdy kadłub zewnętrzny po stronie wylotu musi wytrzymywać ciśnienie wylotowe, a po stronie wlotowej ciśnienie pomiędzy kadłubem zewnętrznym i wewnętrznym wobec ciśnienia atmosferycznego. Te ciśnienia oddziaływujące w różnych przestrzeniach maszyny wirnikowej są powodem dużych sił poosiowych, które muszą zostać przeniesione przez odpowiednie urządzenia, takie jak np. pierścienie bagnetowe, pierścienie gwintowane, zamki typu Uhde-Bretschneider lub złącza śrubowe na kadłubie zewnętrznym albo inne odpowiednie urządzenia. Siły te powodują, oprócz możliwych dużych odkształceń, także duże naciski powierzchniowe na odpowiednich podporach.

Przykładowo, w niemieckim opisie patentowym nr DE 22 18 500 ujawniony jest wielopowłokowy kadłub turbiny parowej na wysokie ciśnienia pary i temperatury pary. Wewnętrzna powłokaj est za pomocąpierścienia oporowego naprężona względem korpusu zewnętrznego i tym samym ustalona osiowo. Opis patentowy Stanów Zjednoczonych Ameryki nr 3 754 833 względnie opis, na którym opiera się jego pierwszeństwo, to jest niemiecki opis patentowy nr DE 20 54 465, przedstawia urządzenie do promieniowo - centrycznego, ruchomego przy wysokich temperaturach łożyskowania i centrowania kadłubów z uszczelnieniami wałów na zewnętrznych powłokach kadłubów maszyn wirnikowych. Przedstawiona tam turbina ma kadłub typu garnkowego z normalną względem osi płaszczyzną podziału, kadłub wewnętrzny z umieszczonymi na nim łopatkami kierującymi jest wstawiany w kadłub typu garnkowego w miejscu łożyskowania i centrowania. To miejsce centrowania jest utworzone przez zamek typu Uhde-Bretschneider. W obszarze przeprowadzania wałów przez kadłub garnkowy znajdują się obudowy uszczelnień wałów, na które nasadzone są pokrywy łożyskowe. Kanały obejściowe w kadłubie wewnętrznym służą do kompensowania sil poosiowych.

Nakłady konstrukcyjne związane z przechwytywaniem sił poosiowych są, jak powyżej przedstawiono, ogólnie biorąc bardzo duże. Ponieważ na sprawność maszyny wirnikowej mają duży wpływ straty przepływu, siły poosiowe muszą nadal być tak przechwytywane, aby przy odpowiednich wydłużeniach cieplnych wału oraz korpusu wewnętrznego i zewnętrznego powstawały na końcach łopatek tylko możliwie najmniejsze promieniowe szczeliny.

Celem wynalazku jest zapewnienie sposobu kompensowania sił poosiowych w maszynie wirnikowej oraz jej odpowiednie ukształtowanie. Wynalazek ma w szczególności zapewnić kompensację występujących sił osiowych w kierunku wzdłużnym wału.

Sposób kompensowania sił poosiowych w maszynie wirnikowej z kadłubem zewnętrznym i kadłubem wewnętrznym względnie nośnikiem łopatek kierowniczych, zwłaszcza w silniku turbinowym o konstrukcji garnkowej, przy czym ciśnienie płynu przepływającego przez maszynę wirnikową wywołuje siłę osiowąw kierunku wzdłużnym wału co najmniej na kadłubie wewnę4

183 594 trznym, a na stronę zewnętrzną jednej części kadłuba wewnętrznego kieruje się ciśnienie do kompensowania sił poosiowych, według wynalazku charakteryzuje się tym, że na co najmniej jedną pierwszą powierzchnię strony zewnętrznej części kadłuba wewnętrznego, podzieloną na dwie powierzchnie częściowe przez co najmniej jedno uszczelnienie, kieruje się ciśnienie tak, że do każdej z powierzchni częściowych odgraniczonych od siebie wzajemnie uszczelnieniem kieruje się inne ciśnienie.

Korzystnie, na uszczelnienie, zwłaszcza uszczelnienie pierścieniowe o kształcie litery I, kieruje się ciśnienie, zwłaszcza obciąża się je ciśnieniem.

Korzystnie, działające na obie powierzchnie częściowe ciśnienie doprowadza się pomiędzy kadłubem wewnętrznym i kadłubem zewnętrznym.

Korzystnie, reguluje się ciśnienie na powierzchni częściowej zewnętrznej strony części kadłuba wewnętrznego.

Korzystnie, ciśnienie kieruje się na powierzchnię czołową kadłuba wewnętrznego.

Maszyna wirnikowa z kadłubem zewnętrznym i kadłubem wewnętrznym względnie nośnikiem łopatek kierowniczych, zwłaszcza silnik turbinowy o konstrukcji garnkowej, przy czym ciśnienie wylotowe płynu przepływającego przez maszynę wirnikową wywołuje siłę osiową w kierunku wzdłużnym wału co najmniej na kadłubie wewnętrznym, według wynalazku charakteryzuje się tym, że zawiera uszczelnienie, które jest usytuowane względem kadłuba wewnętrznego turbiny tak, że co najmniej jedna pierwsza powierzchnia strony zewnętrznej kadłuba wewnętrznego jest podzielona na dwie powierzchnie częściowe, które to powierzchnie częściowe są oddzielone od siebie wzajemnie przez to uszczelnienie.

Korzystnie, uszczelnienie jest umieszczone pomiędzy kadłubem wewnętrznym i kadłubem zewnętrznym, zwłaszcza styka się ono bezpośrednio z kadłubem wewnętrznym i kadłubem zewnętrznym.

Korzystnie, uszczelnienie stanowi uszczelnienie pierścieniowe o kształcie litery I, które zwłaszcza jest umieszczone wokół wału, na jego odcinku odpowiadającym położeniu uszczelnienia wzdłuż osi.

Korzystnie, przenosząca napór powierzchnia częściowa przynajmniej częściowo obejmuje powierzchnię czołową kadłuba wewnętrznego.

Wynalazek przewiduje, że co najmniej jedna pierwsza powierzchnia zewnętrznej strony jednej części kadłuba wewnętrznego jest w celu kompensowania sił poosiowych podzielona na dwie powierzchnie częściowe, które każdorazowo są zasilane różnym ciśnieniem, przy czym zostaje utworzone odgraniczenie pomiędzy oboma ciśnieniami przez co najmniej jedno uszczelnienie. Zewnętrzna strona jednej części kadłubu wewnętrznego jest zasilana ciśnieniem do kompensowania sił poosiowych, które to ciśnienie jest co najmniej tak duże, jak ciśnienie wylotowe płynu, i może być w przybliżeniu tak duże, jak ciśnienie wlotowe.

W korzystnym wykonaniu wynalazku ciśnienie do kompensowawania sił poosiowych przeciwdziała sile osiowej ciśnienia wylotowego na kadłubie wewnętrznym. Na skutek nakładania się obu ciśnień uzyskuje się zmniejszone ciśnienie wypadkowe, które tym samym powoduje tylko zmniejszoną siłę poosiową. Ta kompensacja sił poosiowych może być zwłaszcza zrealizowana w kadłubie wewnętrznym maszyny wirnikowej. W ten sposób uzyskuje się to, że dotychczasowe wysokie nakłady konstrukcyjne, mające na celu ustalenie kadłuba wewnętrznego zostają zmniejszone. Stąd naciski powierzchniowe występujące na elementach ustalających są mniejsze i wywołują także z tego powodu mniejsze odkształcenia. W korzystnym dalszym rozwinięciu wynalazku ciśnienie na zewnętrznej części kadłuba wewnętrznego jest ustawiane odpowiednio do warunków roboczych, jako na przykład obciążenie całkowite lub częściowe. Wówczas można za pomocą odpowiedniego urządzenia sterującego ciśnieniem regulować występującą na korpusie wewnętrznym siłę poosiową.

Oprócz zasilania zewnętrznej części kadłuba wewnętrznego ciśnieniem do kompensowania sił poosiowych, zastosowane jest ponadto ograniczenie wielkości tej zewnętrznej części za pomocą odpowiedniego środka w postaci uszczelnienia. Na kompensację sił poosiowych korpusu wewnętrznego może dlatego wywierać wpływ nie tylko ciśnienie, lecz także będąca do dyspo183 594 zycji dla ciśnienia czynna powierzchnia do tworzenia siły osiowej. Ta czynna powierzchnia jako pierwsza powierzchnia jest teraz podzielona za pomocą tego uszczelnienia na dwie powierzchnie częściowe. Korzystnie czynna powierzchnia obejmuje przy tym co najmniej jedną część zewnętrznej powierzchni czołowej korpusu wewnętrznego. W zależności od konstrukcji maszyny, istnieje przy tym możliwość przyjęcia odpowiedniej wielkości zewnętrznej części kadłuba wewnętrznego do kompensowania sił poosiowych, tak aby ten napór poosiowy był utrzymywany jak najmniejszy. Każdorazowo odpowiednio do parametrów pary turbiny częściowej można siłę poosiową również regulować poprzez zmianę powierzchni, ustalonych za pomocą średnicy jednego lub dwóch uszczelnień pierścieniowych o kształcie litery I. Do uszczelnienia tego doprowadzonejest więc ciśnienie i zwłaszcza obciąża się je. Dzięki uszczelnieniu można ciśnienie oddziałujące na każdą z obu powierzchni częściowych doprowadzić także pomiędzy kadłub wewnętrzny i kadłub zewnętrzny.

Przedmiot wynalazku jest uwidoczniony w przykładach wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia stacjonarną turbinę o konstrukcji garnkowej na wysokie ciśnienie według wynalazku, a fig. 2 - schematyczny układ szeregu turbin.

Figura 1 ukazuje, jako przykład wykonania maszyny wirnikowej według wynalazku, wysokociśnieniową turbinę 1 o konstrukcji garnkowej, która ma kadłub wewnętrzny 2 i kadłub zewnętrzny 3. Przepływający przez maszynę wirnikową 1 płyn. 4 wchodzi z ciśnieniem wlotowym P1 i opuszcza wysokociśnieniową turbinę 1 z powrotem z ciśnieniem wylotowym P2. Różnica ciśnień pomiędzy ciśnieniem wlotowym i wylotowym prowadzi do powstania siły poosiowej nie tylko na kadłubie wewnętrznym, lecz także na wale 5. W zależności od rodzaju łopatek kierujących i łopatek wirujących ma tam miejsce różny spadek ciśnienia przepływającego płynu 4, który wywiera wpływ na wał 5 i na kadłub wewnętrzny 2. Kadłub wewnętrzny 2 ma na swojej zewnętrznej stronie powierzchnię A1, do której jest doprowadzane ciśnienie wlotowe P1. Ciśnienie oddziałujące na powierzchnię A1 jest korzystnie co najmniej tak duże jak ciśnienie wylotowe P2 płynu 4 wypływającego z maszyny wirnikowej 1. W szczególności ciśnienie oddziałujące na powierzchnię A1 może być także tak duże jak ciśnienie wlotowe płynu i/lub ciśnienie we wnętrzu kadłuba wewnętrznego 2. Korzystnie powierzchnia Al obejmuje część powierzchni czołowej kadłuba wewnętrznego 2. Powstający na tej powierzchni napór poosiowy nakłada się na siłę osiową na kadłubie wewnętrznym 2 powstającą na powierzchni A2’, na skutek czego zachodzi na nim kompensacja sił poosiowych. Ustalenie 6 kadłuba wewnętrznego 2 względem kadłuba zewnętrznego 3 podlega na skutek tej kompensacji sił poosiowych mniejszym naciskom powierzchniowym. Zapewnia to wielorakie możliwości konstrukcyjne wprowadzania siły naporu poosiowego w kadłub zewnętrzny 3, na przykład mogą zostać wyeliminowane stosowane we wcześniejszym stanie techniki pierścienie oporowe. Na skutek ulepszonej kompensacji sił poosiowych daje się więc uprościć cała budowa tego typu maszyny wirnikowej.

W przedstawionym na fig. 1 wynalazku przenosząca osiowy nacisk powierzchnia A1 zewnętrznej części kadłuba wewnętrznego 2 jest ograniczona przez umieszczone wokół wału 5 uszczelnienie 7. To uszczelnienie 7 ogranicza ciśnienie P1 oddziałujące do przenoszącej ciśnienie osiowo powierzchni A1, tak że poprzez zastosowanie uszczelnienia 7 może zachodzić dokładnie określona kompensacja sił poosiowych. Ponadto zastosowanie tego typu uszczelnienia 7 stwarza możliwość doprowadzania do dalszej powierzchni A3 na zewnętrznej części kadłuba wewnętrznego 2 drugiego ciśnienia P3. Ciśnienie P3 w połączeniu z powierzchnią A3 przyczynia się wówczas równocześnie dodatkowo do kompensacji sił poosiowych. Powierzchnie A1 i A3 tworzą zatem razem zgodnie z ideą wynalazku pierwszą powierzchnię zewnętrznej części kadłuba wewnętrznego 2. Powierzchnie A1 i A3 z osobna są więc powierzchniami częściowymi.

Ciśnienie P3, które jest w stosunku do ciśnienia P1 korzystnie niższe, służy jako ciśnienie blokujące. Straty ciśnienia i przepływu na uszczelnieniu bądź uszczelnieniach 7 mogą za pomocą tego korzystnego stopniowania ciśnienia być zmniejszane. Dzięki temu do uszczelnienia, zwłaszcza uszczelnienia pierścieniowego o kształcie litery I, można nie tylko doprowadzać ciś6

183 594 nienie, lecz także obciążać ciśnieniem. Poprzez zastosowanie kilku uszczelnień 7 mogą, dla korzystnego stopniowania ciśnienia, zostać utworzone także dalsze, wzajemnie oddzielone powierzchnie do kompensowania sił poosiowych, jak to zostało pokazane za pomocą zaznaczonego linią kreskowąuszczelnienia 7 z powierzchniąA3 ’ i ciśnieniem P3’. Ze względu na geometrię konstrukcji maszyny wirnikowej 1 uszczelnienie 7 jest korzystnie umieszczone pomiędzy wewnętrzną częścią kadłuba zewnętrznego 3 i zewnętrzną częścią kadłuba wewnętrznego 2, zwłaszcza w taki sposób, że styka się ono bezpośrednio z kadłubem wewnętrznym 2 i kadłubem zewnętrznym 3. Jako uszczelnienie 7 zaleca się uszczelnienie pierścieniowe o kształcie litery I, którego średnica D zależy od przenoszącej wymaganą siłę osiową powierzchni Al względnie A3. Korzystna postać wynalazku przewiduje, że kompensacja sił poosiowych odbywa się nie tylko na kadłubie wewnętrznym 2, lecz również na wale 5. W tym celu maszyna wirnikowa jest tak ukształtowana, że do przenoszącej napór osiowo powierzchni A2” jest doprowadzane ciśnienie wylotowe P2. Tak więc, na skutek różnicy ciśnień pomiędzy ciśnieniem wlotowym P1 i ciśnieniem wylotowym P2 na łopatkach, może zostać przynajmniej częściowo skompensowany napór poosiowy występujący na wale 5.

Figura 2 ukazuje schematycznie rozmieszczenie części wysokociśnieniowej HD, części średniociśnieniowej MD i części niskociśnieniowej ND turbiny na wale. Rysunek ten wyjaśnia, że siły od ciśnienia P1 oddziałującego na powierzchnię A1 i od ciśnienia P3 oddziałującego na powierzchnię A3 działają w kierunku ujemnym osi X. Siła od ciśnienia P2 oddziałującego na powierzchnię A2” działa przeciwnie do tych sił w kierunku dodatnim osi X. Wynalazek nadaje się więc do stosowania do kompensacji sił poosiowych nie tylko w jednej turbinie, lecz także w łańcuchu połączonych ze sobą jedna za drugą maszyn wirnikowych.

183 594

183 594

FIG 1

Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 50 egz.

Cena 2,00 zł.

Claims (9)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Sposób kompensowania sił poosiowych w maszynie wirnikowej z kadłubem zewnętrznym i kadłubem wewnętrznym względnie nośnikiem łopatek kierowniczych, zwłaszcza w silnikU turbinowym o konstrukcji garnkowej, przy czym ciśnienie płynu przepływającego przez maszynę wirnikową wywołuje siłę osiową w kierunku wzdłużnym wału co najmniej na kadłubie wewnętrznym, a na stronę zewnętrznąjednej części kadłuba wewnętrznego kieruje się ciśnienie do kompensowania sił poosiowych, znamienny tym, że na co najmniej jednąpierwsząpowierzchnię (A1+A3) strony zewnętrznej części kadłuba wewnętrznego (2), podzielonąna dwie powierzchnie częściowe (A1, A3) przez co najmniej jedno uszczelnienie (7), kieruje się ciśnienie tak, że do każdej z powierzchni częściowych (A1, A3) odgraniczonych od siebie wzajemnie uszczelnieniem (7) kieruje się inne ciśnienie (P1, P3).
2. 2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że na uszczelnienie (7), zwłaszcza uszczelnienie pierścieniowe o kształcie litery I, kieruje się ciśnienie (P1, P3), zwłaszcza obciąża się je ciśnieniem (P1, P3).
3. 3. Sposób według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że działające na obie powierzchnie częściowe (A1, A3) ciśnienie (P1, P3) doprowadza się pomiędzy kadłubem wewnętrznym (2) i kadłubem zewnętrznym (3).
4. 4. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że reguluje się ciśnienie (P1, P3) na powierzchni częściowej (A1, A3) zewnętrznej strony części kadłuba wewnętrznego (2).
5. 5. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że ciśnienie (P1, P3) kieruje się na powierzchnię czołową kadłuba wewnętrznego (2).
6. 6. Maszyna wirnikowa z kadłubem zewnętrznym i kadłubem wewnętrznym względnie nośnikiem łopatek kierowniczych, zwłaszcza silnik turbinowy o konstrukcji garnkowej, przy czym ciśnienie wylotowe płynu przepływającego przez maszynę wirnikową wywołuje siłę osiową w kierunku wzdłużnym wału co najmniej na kadłubie wewnętrznym, znamienna tym, że zawiera uszczelnienie (7), które jest usytuowane względem kadłuba wewnętrznego (2) turbiny tak, że co najmniej jedna pierwsza powierzchnia (A1 + A3) strony zewnętrznej kadłuba wewnętrznego (2) jest podzielona na dwie powierzchnie częściowe (A1, A3), które to powierzchnie częściowe (A1, A3) są oddzielone od siebie wzajemnie przez to uszczelnienie (7).
7. 7. Maszyna według zastrz. 6, znamienna tym, że uszczelnienie (7) jest umieszczone pomiędzy kadłubem wewnętrznym (2) i kadłubem zewnętrznym (3), zwłaszcza styka się ono bezpośrednio z kadłubem wewnętrznym (2) i kadłubem zewnętrznym (3).
8. 8. Maszyna według zastrz. 7, znamienna tym, że uszczelnienie (7) stanowi uszczelnienie pierścieniowe o kształcie litery I, które zwłaszcza jest umieszczone wokół wału (5), na jego odcinku odpowiadającym położeniu uszczelnienia wzdłuż osi.
9. 9. Maszyna według zastrz. 6, znamienna tym, że przenosząca nacisk powierzchnia częściowa (A1, A3) przynajmniej częściowo obejmuje powierzchnię czołowąkadłuba wewnętrznego (2).