RU2575956C2

RU2575956C2 - Compressor and appropriate gas turbine

Info

Publication number: RU2575956C2
Application number: RU2013105342/06A
Authority: RU
Inventors: Томас БРАНДЕНБУРГ; Даниэль ЭКЕ; Маркус ХОФМАНН; Торстен МАТТИАС; Бернвард МЕРТЕНС; Франк МИЛЬДНЕР; Маркус ПАУС; Ахим ШИРРМАХЕР; Вадим ШЕВЧЕНКО; Уве ЗИБЕР; Хубертус Михаэль ВИГГЕР
Original assignee: Сименс Акциенгезелльшафт
Priority date: 2010-07-08
Filing date: 2011-07-07
Publication date: 2016-02-27
Also published as: RU2013105342A; EP2591213A2; EP2591213B1; WO2012004336A3; JP2013529755A; JP5638696B2; CN102985640B; US20130216359A1; EP2405104A1; CN102985640A; WO2012004336A2

Abstract

FIELD: machine building.

SUBSTANCE: invention relates to axial compressor (10) containing casing limiting outside the ring flowing channel (36), in which the guide vanes (14) of the guide vane crown are held with possibility of rotation through the flowing channel (36), at that each guide vane (14) has trunnion (26) on the rotor side to hold the internal ring (32). To create the low wear self-aligning internal ring (32) it is made in form of the ring having clearance and two opposite ends (44), and has spring element (52) for the ring with clearance release.

EFFECT: small wear out and easy positioning.

9 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к компрессору, содержащему ограничивающий радиально снаружи кольцеобразный проточный канал корпус, в котором удерживаются с возможностью поворота проходящие через проточный канал направляющие лопатки венца направляющих лопаток, при этом каждая направляющая лопатка имеет на стороне корпуса проходящую через корпус первую цапфу и на стороне ротора выступающую во внутреннее кольцо вторую цапфу.The invention relates to a compressor comprising a housing that encloses a radially externally annular flow channel, in which guide vanes of the guide vanes crown extending through the flow channel are held pivotally, wherein each guide vane has a first axle extending through the housing on the housing side and protruding into the rotor side inner ring second pin.

Известные компрессоры современных газотурбинных установок имеют одну или несколько компрессорных ступеней, направляющие лопатки которых установлены с возможностью перестановки. При этом относящиеся к соответствующему венцу направляющие лопатки установлены с возможностью перестановки вокруг своей продольной оси с целью регулирования массового потока. За счет регулирования массового потока компрессор имеет увеличенный рабочий диапазон. Для крепления с возможностью поворота направляющих лопаток таких компрессорных ступеней на обоих концах пера направляющих лопаток предусмотрены соответствующие цапфы. При этом наружная цапфа установлена в кольцеобразном корпусе, а внутренняя цапфа - в так называемом внутреннем кольце. При этом внутреннее кольцо удерживается всеми цапфами. Центральное позиционирование внутреннего кольца относительно оси ротора осуществляется посредством радиального позиционирования наружных цапф в корпусе. При этом с помощью радиальной перестановки лопаток позиционируется не только внутреннее кольцо относительно ротора, но и одновременно устанавливаются также зазоры между перьями лопаток и наружным корпусом, соответственно, внутренним кольцом так, что в процессе перестановки пера лопатки оно не соприкасается с ограничительной стенкой проточного канала.Known compressors of modern gas turbine plants have one or more compressor stages, the guide vanes of which are installed with the possibility of permutation. In this case, the guide vanes related to the corresponding crown are installed with the possibility of rearrangement around their longitudinal axis in order to control the mass flow. By controlling the mass flow, the compressor has an increased operating range. For fastening with the possibility of rotation of the guide vanes of such compressor stages, corresponding trunnions are provided at both ends of the feather of the guide vanes. In this case, the outer pin is installed in an annular body, and the inner pin in the so-called inner ring. In this case, the inner ring is held by all the pins. The central positioning of the inner ring relative to the axis of the rotor is carried out by radial positioning of the outer trunnions in the housing. In this case, using the radial permutation of the blades, not only the inner ring is positioned relative to the rotor, but also at the same time, gaps are established between the feathers of the blades and the outer casing, respectively, of the inner ring so that during the permutation of the feather of the blade it does not come into contact with the boundary wall of the flow channel.

Поскольку известная конструкция для удерживания внутреннего кольца предусматривает радиальное геометрическое замыкание между направляющими лопатками и внутренним кольцом, то могут возникать повышенные механические напряжения внутри соответствующей опоры внутреннего кольца, что может приводить к значительному износу применяемых там вкладышей подшипника. При этом механические напряжения могут усиливаться во время работы еще термическими напряжениями.Since the known design for holding the inner ring provides a radial geometric circuit between the guide vanes and the inner ring, increased mechanical stresses can occur inside the corresponding support of the inner ring, which can lead to significant wear of the bearing shells used there. In this case, mechanical stresses can be amplified during operation by thermal stresses.

Альтернативный вариант опоры переставляемых направляющих лопаток известен из US 2671634. Показанная в нем система содержит разделенное пополам на два сегмента внутреннее кольцо. При этом концы сегментов прилегают свободно друг к другу с соединением в шпунт и гребень, при этом внутренние цапфы переставляемых направляющих лопаток установлены непосредственно в радиальных отверстиях внутреннего кольца. За счет этого каждый сегмент несут соответствующие направляющие лопатки, что может также приводить к повышенному износу.An alternative support for the movable guide vanes is known from US 2671634. The system shown therein comprises an inner ring divided in half into two segments. In this case, the ends of the segments fit freely together with a connection in the tongue and groove, while the inner trunnions of the rearranable guide vanes are installed directly in the radial holes of the inner ring. Due to this, each segment carries the corresponding guide vanes, which can also lead to increased wear.

Поэтому задачей изобретения является создание компрессора, содержащего крепежную систему для поворачиваемых вокруг своей продольной оси направляющих лопаток, опора которых на внутреннее кольцо имеет малый износ и одновременно обеспечивает простое позиционирование внутреннего кольца относительно ротора.Therefore, the object of the invention is to provide a compressor containing a fastening system for guide vanes rotated around their longitudinal axis, the support of which on the inner ring has low wear and at the same time provides easy positioning of the inner ring relative to the rotor.

Лежащая в основе изобретения задача решена с помощью компрессора, согласно ограничительной части п. 1 формулы изобретения, в котором внутреннее кольцо выполнено в виде разрезного кольца с двумя лежащими противоположно друг другу концами и с пружинным элементом для разжимания зазора кольца. Для этого предлагается встраивание в зоне зазора кольца предпочтительно закрытого кожухом пружинного элемента. За счет этого в собранном состоянии верхней части корпуса и нижней части корпуса достигается радиальное предварительное напряжение внутреннего кольца. За счет радиального предварительного напряжения внутреннее кольцо прижимается ко вторым цапфам направляющих лопаток. За счет этого отпадает необходимость в радиальной фиксации внутреннего кольца на всех направляющих лопатках. Это означает, что выступающие во внутреннее кольцо вторые цапфы лишь вставляются снаружи в соответствующие отверстия или выемки, так что можно отказаться от имеющегося до настоящего времени геометрического замыкания. Следовательно, направляющие лопатки могут быть снабжены расположенной радиально внутри второй цапфой, которая выполнена чисто цилиндрической. То же относится к принимающим цапфы отверстиям во внутреннем кольце, которые, согласно изобретению, больше не имеют бесконечно окружной поясок для геометрического замыкания. При этом особенно предпочтительно, что возможные перекосы внутреннего кольца предотвращаются на основании отсутствующего радиального сцепления. Кроме того, упрощенное выполнение внутренней опоры направляющих лопаток уменьшает время монтажа.The problem underlying the invention is solved with the help of a compressor, according to the restrictive part of claim 1, in which the inner ring is made in the form of a split ring with two ends opposite to each other and with a spring element for expanding the gap of the ring. For this purpose, it is proposed to embed in the gap gap zone a preferably closed casing spring element. Due to this, in the assembled state of the upper part of the housing and the lower part of the housing, a radial prestressing of the inner ring is achieved. Due to the radial prestressing, the inner ring is pressed against the second trunnions of the guide vanes. Due to this, there is no need for radial fixation of the inner ring on all guide vanes. This means that the second trunnions protruding into the inner ring are only inserted externally into the corresponding openings or recesses, so that a geometrical closure so far can be discarded. Therefore, the guide vanes can be equipped with a second spigot located radially inside, which is made purely cylindrical. The same applies to trunnion-receiving holes in the inner ring, which, according to the invention, no longer have an infinitely circumferential girdle for geometric closure. It is particularly preferred that possible misalignment of the inner ring is prevented based on the lack of radial adhesion. In addition, the simplified implementation of the inner support of the guide vanes reduces installation time.

Дополнительно к этому, в термическом переходном режиме с помощью пружинного элемента компенсируются тепловые расширения внутреннего кольца и всех направляющих лопаток, что уменьшает напряжения между внутренним кольцом и внутренними местами опоры направляющих лопаток и уменьшает износ подшипников.In addition, in the thermal transition mode, the thermal expansion of the inner ring and all guide vanes is compensated with the help of a spring element, which reduces stresses between the inner ring and the inner bearing locations of the guide vanes and reduces bearing wear.

Следовательно, за счет установки пружинного элемента можно выполнять внутреннее кольцо в виде самонесущей и самоцентрирующейся системы, при этом в этом случае расположенные в нижней половине венца направляющих лопаток переставляемые направляющие лопатки должны лишь нести внутреннее кольцо так называемым плавающим образом.Consequently, due to the installation of the spring element, the inner ring can be made in the form of a self-supporting and self-centering system, in this case, the rearranged guide vanes located in the lower half of the crown of guide vanes should only carry the inner ring in the so-called floating manner.

Другим преимуществом изобретения является то, что на основании самоцентрирующейся опоры внутреннего кольца можно при необходимости даже отказаться от перестановочного устройства для радиального позиционирования направляющих лопаток в корпусе. Это упрощает компрессор и уменьшает вероятность выхода из строя компрессора на основании меньшего количества применяемых компонентов.Another advantage of the invention is that, based on the self-centering support of the inner ring, you can even optionally abandon the permutation device for radial positioning of the guide vanes in the housing. This simplifies the compressor and reduces the likelihood of compressor failure based on fewer components used.

Предпочтительные варианты выполнения указаны в зависимых пунктах формулы изобретения.Preferred embodiments are indicated in the dependent claims.

Согласно первому предпочтительному варианту выполнения изобретения, оба конца разрезного кольца имеют лежащие противоположно друг другу первые гнезда, которые выполнены в виде глухих отверстий и в которых установлен пружинный элемент. Таким образом, обеспечивается сравнительно простая конструкция для разжимания разрезного кольца, при этом пружинный элемент выполнен, например, в виде винтовой пружины. Сдвиг винтовой пружины исключается на основании посадки винтовой пружины в гнездах.According to a first preferred embodiment of the invention, both ends of the split ring have first sockets opposite to each other, which are made in the form of blind holes and in which a spring element is installed. In this way, a relatively simple structure is provided for expanding the split ring, wherein the spring element is, for example, in the form of a coil spring. The shift of the coil spring is excluded on the basis of the landing of the coil spring in the sockets.

Для защиты пружинного элемента от загрязнения предпочтительно, когда он выполнен закрытым кожухом.To protect the spring element from contamination, it is preferable when it is made with a closed casing.

Относительные движения обоих концов внутреннего кольца в осевом направлении можно предотвращать, когда они фиксированы в осевом направлении. Это можно осуществлять, например, с помощью призматических шпонок, которые задают осевое положение обоих лежащих противоположно друг другу концов разрезного кольца. Для этого, например, также призматические шпонки расположены в предусмотренных для этого выемках по обе стороны в зазоре внутреннего кольца.The relative movements of both ends of the inner ring in the axial direction can be prevented when they are fixed in the axial direction. This can be accomplished, for example, using prismatic keys that define the axial position of both ends of the split ring lying opposite to each other. For this, for example, also the tongue keys are located in the recesses provided for this on both sides in the gap of the inner ring.

Согласно другому предпочтительному варианту выполнения, внутреннее кольцо содержит по меньшей мере два сегмента. При этом сегменты предпочтительно проходят по длине дуги 180°. Это обеспечивает сравнительно простой монтаж направляющих лопаток в компрессоре.According to another preferred embodiment, the inner ring comprises at least two segments. The segments preferably extend along an arc length of 180 °. This provides a relatively simple installation of guide vanes in the compressor.

В качестве расходного средства скольжения, между двумя цапфами и принимающими цапфы отверстиями внутреннего кольца может быть предусмотрена соответствующая втулка с буртиком. Для предотвращения загрязнения опоры скольжения цапфы в соответствующем отверстии внутреннего кольца предусмотрено, что на второй цапфе предусмотрена непрерывно окружная канавка, в которой расположено уплотнительное кольцо, например кольцо круглого поперечного сечения. Это уменьшает износ предусмотренной радиально внутри опоры.As a sliding consumable, between the two pins and the pins receiving the pins of the inner ring, a corresponding collar with a shoulder can be provided. In order to prevent contamination of the sliding support of the journal in the corresponding hole of the inner ring, it is provided that the circumferential groove is continuously provided on the second journal in which the sealing ring is located, for example a circular cross-section ring. This reduces wear provided radially inside the support.

Сравнительно простое в изготовлении внутреннее кольцо, соответственно сегмент, могут быть получены, когда они выполнены с возможностью разделения в осевом направлении. Части сегмента или внутреннего кольца могут быть, например, свинчены друг с другом или же сварены друг с другом. Однако предпочтительно сегмент или внутреннее кольцо не разделены в осевом направлении.A relatively easy-to-manufacture inner ring or segment can be obtained when they are axially separable. Parts of a segment or inner ring may, for example, be screwed together or welded together. However, preferably, the segment or inner ring is not axially divided.

Согласно изобретению, предусмотренная, в частности, для генерирования энергии стационарная газотурбинная установка с разделяемым на половины корпусом снабжена компрессором, согласно изобретению, в соответствии с указанными выше вариантами выполнения.According to the invention, provided in particular for generating energy, a stationary gas turbine installation with a half-split housing is equipped with a compressor according to the invention in accordance with the above embodiments.

Ниже приводится более подробное пояснение изобретения на основе примеров выполнения со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых схематично изображено:The following is a more detailed explanation of the invention based on exemplary embodiments with reference to the accompanying drawings, in which is schematically depicted:

фиг. 1 - поперечный разрез части компрессора с установленными на обеих сторонах с возможностью поворота вокруг продольной оси переставляемыми направляющими лопатками компрессора;FIG. 1 is a cross-sectional view of a part of a compressor mounted on both sides with the possibility of rotation around a longitudinal axis of permutable compressor guide vanes;

фиг. 2 - выполненное в виде разрезного кольца внутреннее кольцо; иFIG. 2 - made in the form of a split ring inner ring; and

фиг. 3 - расположенный в зазоре между лежащими противоположно друг другу концами разрезного кольца пружинный элемент.FIG. 3 - a spring element located in the gap between the ends of the split ring lying opposite to each other.

На фиг. 1 показан поперечный разрез компрессора 10 осевого типа на осевом участке поворачиваемых вокруг своей продольной оси 12 направляющих лопаток 14. Направляющие лопатки 14 могут быть, например, входными направляющими лопатками компрессора 10. Однако они могут также относиться к лежащим ниже по потоку венцам направляющих лопаток последующих ступеней компрессора. Направляющие лопатки 14 имеют лишь частично изображенное аэродинамически изогнутое перо 16 лопатки, на радиально внутреннем конце 18 которого расположена круглая платформа 20. Платформа 20 переходит в первый цилиндрический участок 22, в котором расположена окружная канавка 24 для размещения уплотнительного кольца круглого поперечного сечения. К первому участку 22 примыкает концентричный другой участок 23 меньшего диаметра. Оба участка 22, 23 являются частью цапфы и выполнены каждый цилиндрическим. Вокруг первого участка 23 расположена втулка 28 с буртиком. Первый участок 22, а также втулка 28 с буртиком сидят в гнезде 30 соответствующего им контура, которое выполнено в виде ступенчатого отверстия. При этом отверстие расположено в так называемом внутреннем кольце 32. Наружная боковая поверхность 34 внутреннего кольца 32 ограничивает кольцеобразный проточный канал 36 компрессора 10. При этом внутреннее кольцо 32 окружает ротор 35 компрессора 10. На не изображенных радиально наружных концах направляющих лопаток 14 предусмотрены, аналогично внутренним концам 18, цапфы в ограничивающем проточный канал 36 снаружи корпусе.In FIG. 1 shows a cross-sectional view of an axial type compressor 10 in an axial portion of guide vanes 14 rotatable around its longitudinal axis 12. The guide vanes 14 can be, for example, input guide vanes of the compressor 10. However, they can also relate to the downstream rims of the guide vanes of the next stages compressor. The guide vanes 14 have only a partially depicted aerodynamically curved blade feather 16, on the radially inner end 18 of which there is a circular platform 20. The platform 20 passes into the first cylindrical section 22, in which the circumferential groove 24 is located to accommodate the O-ring. Concentric other section 23 of smaller diameter is adjacent to the first section 22. Both sections 22, 23 are part of the journal and are each cylindrical. Around the first section 23 is a sleeve 28 with a shoulder. The first section 22, as well as the collar 28 with a shoulder, are seated in the socket 30 of the corresponding contour, which is made in the form of a stepped hole. The hole is located in the so-called inner ring 32. The outer side surface 34 of the inner ring 32 limits the annular flow channel 36 of the compressor 10. The inner ring 32 surrounds the rotor 35 of the compressor 10. On the radially outer ends of the guide vanes 14 are provided, similar to the inner the ends 18, the trunnion in limiting the flow channel 36 on the outside of the housing.

На основании выбранной конструкции, направляющие лопатки 14 в принципе лишь радиально вставлены снаружи в гнезда 30. При этом радиальное направление относится к машинной оси 38 компрессора 10, вдоль которой он проходит.Based on the design chosen, the guide vanes 14 are in principle only radially inserted externally into the slots 30. In this case, the radial direction refers to the machine axis 38 of the compressor 10 along which it passes.

Составленное из двух сегментов 40 внутреннее кольцо 32 схематично показано на фиг. 2. Оба сегмента имеют дуговую длину 180°. В первой соединительной зоне 42 оба сегмента 40 на стороне концов свинчены друг с другом без зазора. Оба других конца 44 сегментов 40 лежат противоположно друг другу во второй соединительной зоне 46 с образованием зазора кольца. Зазор кольца называется в последующем зазором 48. Вторая соединительная зона 46 детально показана на фиг. 3. В обоих концах 44 предусмотрено соответствующее первое гнездо 50, которое выполнено в виде глухого отверстия. Оба первых гнезда 50 лежат противоположно друг другу, так что в них сидит закрытый пружинный элемент 52. Пружинный элемент 52 выполнен в показанном примере выполнения в виде винтовой пружины с кожухом 53. Пружинный элемент 52 сидит с предварительным напряжением в зазоре 48, так что оба конца 44 отдавливаются друг от друга. За счет этого в установленном состоянии внутреннее кольцо 32 прижимается к цапфам направляющих лопаток 14. За счет этого достигается самоцентрирование внутреннего кольца 32.The inner ring 32 composed of two segments 40 is shown schematically in FIG. 2. Both segments have an arc length of 180 °. In the first connecting zone 42, both segments 40 on the side of the ends are screwed to each other without a gap. The other two ends 44 of the segments 40 lie opposite each other in the second connecting zone 46 to form a ring gap. The ring gap is hereinafter referred to as the gap 48. The second connecting zone 46 is shown in detail in FIG. 3. At both ends 44, a corresponding first socket 50 is provided, which is in the form of a blind hole. The two first slots 50 lie opposite each other, so that a closed spring element 52 sits in them. The spring element 52 is made in the shown embodiment as a coil spring with a casing 53. The spring element 52 sits with a prestress in the gap 48, so that both ends 44 are squeezed apart. Due to this, in the installed state, the inner ring 32 is pressed against the trunnions of the guide vanes 14. Due to this, self-centering of the inner ring 32 is achieved.

Аналогично первым гнездам 50, в обоих концах 44 предусмотрены вторые гнезда 54, которые также лежат противоположно друг другу на одной линии. Во вторых гнездах 54 сидит центрирующий элемент 56, который может быть выполнен, например, в виде призматической шпонки. Эта система может предотвращать относительный сдвиг обоих концов 44 в осевом направлении, за счет чего оба конца 44 фиксированы. За счет этого предотвращается срезающая нагрузка пружинного элемента 52.Similarly to the first sockets 50, at both ends 44 second sockets 54 are provided, which also lie oppositely to each other on the same line. In the second slots 54 sits a centering element 56, which can be made, for example, in the form of a key. This system can prevent the relative displacement of both ends 44 in the axial direction, whereby both ends 44 are fixed. Due to this, the shear load of the spring element 52 is prevented.

Таким образом, изобретение относится в целом к осевому компрессору 10 с кольцеобразным проточным каналом 36, в котором удерживаются с возможностью поворота проходящие через проточный канал 36 переставляемые направляющие лопатки 14 венца направляющих лопаток, при этом каждая направляющая лопатка 14 имеет на своем пере 16 лопатки на стороне ротора цапфу для удерживания внутреннего кольца 32. Для создания имеющего малый износ самоцентрирующегося внутреннего кольца 32 оно выполнено в виде разрезного кольца с двумя лежащими противоположно друг другу концами 44 и снабжено пружинным элементом 52 для разжимания разрезного кольца.Thus, the invention relates generally to an axial compressor 10 with an annular flow channel 36, in which swiveling guide vanes 14 of the guide vanes crown extending through the flow channel 36 are held, each guide vane 14 having on its side 16 vanes on the side the axle rotor for holding the inner ring 32. To create a self-centering inner ring 32 having little wear, it is made in the form of a split ring with two opposite opposite ones Yeah ends 44 and is equipped with a spring element 52 for opening the split ring.

Claims

1. A compressor (10) comprising a housing that defines a ring-shaped flow channel (36) that extends radially from the outside, and which holds the guide vanes (14) of the guide vane crown extending through the channel (36) and each guide vane (14) has on the case side, the first axle passing through the case and on the rotor side, the second axle (26) protruding into the inner ring (32), characterized in that the inner ring (32) is made in the form of a split ring with two ends lying opposite each other mi (44) and is equipped with a spring element (52) for opening the split ring.

2. The compressor (10) according to claim 1, in which both ends (44) of the split ring have first sockets (50) lying opposite to each other, in which a spring element (52) is installed.

3. The compressor (10) according to any one of paragraphs. 1 or 2, in which the spring element (52) is enclosed in a casing.

4. The compressor (10) according to any one of paragraphs. 1 or 2, in which the ends are fixed in the axial direction.

5. The compressor (10) according to any one of paragraphs. 1 or 2, in which the inner ring (32) is composed of at least two segments (40).

6. The compressor (10) according to any one of paragraphs. 1 or 2, in which on the second pins (26) there is a corresponding sleeve (28) with a shoulder.

7. The compressor (10) according to any one of paragraphs. 1 or 2, in which the second trunnion (26) has a continuous circumferential groove (24) with an O-ring installed therein.

8. The compressor (10) according to claim 5, in which the inner ring (32), respectively, the segments are made with the possibility of separation in the axial direction.

9. A gas turbine installation comprising a compressor (10) according to any one of paragraphs. 1-8.