|
Системы и способы, описанные здесь, включают в себя ротор компрессора в сборе газотурбинного агрегата с системой уравновешивания. В вариантах осуществления изобретения ротор компрессора в сборе включает в себя переднюю сварную конструкцию, заднюю сварную конструкцию и систему уравновешивания. Система уравновешивания содержит передние грузы и грузы под полкой лопатки. Передние грузы устанавливаются в один из двух рядов уравновешивающих отверстий, которые обеспечивают быструю и более точную балансировку передней сварной конструкции или ротора компрессора в сборе. Грузы под полкой лопатки устанавливаются между любыми, смонтированными по окружности, лопатками ротора компрессора, обеспечивая возможность предварительной балансировки задней сварной конструкции и используемые для быстрой и более точной балансировки ротора компрессора в сборе. |
|
На Рис. 1 представлено схематическое изображение примерного газотурбинного агрегата. Изображение некоторых поверхностей опущено или увеличено (здесь и на других рисунках) для ясности и простоты объяснения. Кроме того, в описании имеется ссылка на переднее и заднее направление. Как правило, все ссылки на "передний" и "задний" связаны, если не указано иное, с направлением потока первичного воздуха (воздуха, который используется в цикле Брайтона – термодинамической основой работы газовой турбины). Например, "передний" понимается как "передний по ходу" по отношению к первичному потоку воздуха, а "задний" понимается как "задний по ходу" по отношению к первичному потоку воздуха. |
|
Кроме того, в описании имеется общая ссылка на центральную ось вращения 95 газотурбинного агрегата, которая, как правило, определяется продольной осью его вала 120 с опорой в нескольких подшипниковых узлах 150. Центральная ось 95 может быть общей или совмещенной с другими различными концентрическими узлами агрегата. Все ссылки на радиальные, осевые и окружные направления и размеры приводятся относительно центральной оси 95, если не указано иное, а такие термины, как "внутренний" и "внешний" обычно указывают на большее или меньшее радиальное расстоянии от нее, где радиус 96 может быть в любом направлении перпендикулярном и расходящимся наружу от центральной оси 95. |
|
Газотурбинный агрегат 100 включает в себя устройство забора воздуха 110, вал 120, компрессор 200, камеру сгорания 300, турбину 400, систему отвода выхлопных газов 500 и муфту отбора выходной мощности 600. Газотурбинный агрегат 100 может быть одновальным или двухвальным.
|
|
Компрессор 200 включает в себя ротор компрессора в сборе 210, неподвижные лопатки компрессора 250 и входные направляющие лопатки 251. Ротор компрессора в сборе 210 механически соединен с валом 120. Компрессор ротора в сборе 210 представляет собой осевой компрессор. Ротор компрессора в сборе 210 может включать в себя переднюю сварную конструкцию 211 и заднюю сварную конструкцию 212. Каждая передняя сварная конструкция 211 и задняя сварная конструкция 212 включают в себя одну или несколько сборок 219 диска компрессора. Каждая сборка 219 диска компрессор включает в себя диск ротора компрессора 220 (показано на Рис. 2, 3 и 4) с установленными по окружности лопатками ротора компрессора. Передняя сварная конструкция может также содержать диск первой ступени компрессора 221, соединенный с передней ступицей 213. |
|
Неподвижные лопатки компрессора 250 следуют за каждой сборкой 219 диска компрессора в осевом направлении. Каждая сборка 219 диска компрессор спарена с соседними неподвижными лопатками компрессора 250, которые следуют за сборкой 219 диска компрессора, и считается ступенью компрессора. Компрессор 200 включает в себя несколько ступеней компрессора. Входные направляющие лопатки 251 расположены до первой ступени компрессора в осевом направлении. |
|
Камера сгорания 300 включает в себя одну или несколько форсунок 350 и одну или несколько камер сгорания 390. |
|
Турбина 400 включает в себя ротор турбины в сборе 410 и сопла турбины 450. Ротор турбины в сборе 410 механически соединен с валом 120. Ротор турбины в сборе 410 представляет собой осевую турбину. Ротор турбины в сборе 410 включает в себя один или несколько дисков турбины в сборе 420. Каждый диск турбины в сборе 420 включает в себя диск турбины с установленными по окружности лопатками турбины. Сопла турбины 450 установлены перед каждым диском турбины в сборе 420. Каждый диск турбины в сборе 420 спарен с соседними соплами турбины 450, которые установлены перед диском турбины в сборе 420 и считаются ступенью турбины. Турбина 400 включает в себя несколько ступеней. |
|
Система отвода выхлопных газов 500 включает в себя выхлопной диффузор 520 и коллектор выхлопных газов 550. |
|
На Рис. 2 показан вид в перспективе ротора компрессора в сборе 210 с Рис. 1. Ротор компрессора в сборе 210 включает в себя систему уравновешивания. Система уравновешивания содержит переднюю систему уравновешивания 255, лопатки ротора компрессора и грузы под полкой лопатки 260 (показано на Рис. 5-7).
|
|
Передняя система уравновешивания 255 включает в себя несколько передних уравновешивающих отверстий 242, несколько задних уравновешивающих отверстий 243 и передние грузы 256. Первая группа уравновешивающих отверстий выбирается из передних уравновешивающих отверстий 242 и задних уравновешивающих отверстий 243. Остающиеся передние уравновешивающие отверстия 242 и задние уравновешивающие отверстия 243 составляют вторую группу уравновешивающих отверстий. В соответствии с другим вариантом изобретения, передние уравновешивающие отверстия 242 могут входить в первую группу уравновешивающих отверстий, а задние уравновешивающие отверстия 243 – во вторую группу уравновешивающих отверстий.
|
|
Передние грузы 256 могут иметь различные типоразмеры, массы и длины. В одном варианте осуществления передние грузы 256 имеют диаметр 3/8 дюйма, а длину в 1/4 дюйма, 1/2 дюйма или 3/4 дюйма. В соответствии с другим вариантом изобретения могут быть использованы другие диаметры.
|
|
Лопатки ротора компрессора устанавливаются по оси ротора компрессора ("осевые лопатки") 229 или по окружности дисков ротора компрессора ("окружные лопатки") 230. Размеры лопатки ротора компрессора зависят от размеров дисков компрессора 220.
|
|
На Рис.3 представлен вид в поперечном разрезе передней сварной конструкции 210 ротора компрессора в сборе с Рис. 2. Передняя сварная конструкция 211 включает в себя несколько дисков компрессора 220, в том числе диск компрессора первой ступени 221 и передний узел крепления диска компрессора 223. Диск компрессора первой ступени 221 расположен на переднем конце передней сварной конструкции 211. Диск компрессора первой ступени 221 имеет цилиндрический корпус 240 и включает в себя передний конец 238, задний конец 239, внешний осевой фланец 237 и внешнюю поверхность 241. Внешний осевой фланец 237 выступает в осевом направлении из цилиндрического корпуса 240. Внешняя поверхность 241 простирается от переднего конца 238 к заднему концу. Часть внешней поверхности 241 может быть на внешнем осевом фланце 237.
|
|
Круглый фланец 246 может простираться наружу от цилиндрического корпуса 240 в радиальном направлении. Круглый фланец 246 включает в себя осевые пазы 235, выполненные для монтажа осевых лопаток 229 (показано на Рис. 2) к диску компрессора первой ступени 221. Осевые пазы 235 имеют в поперечном сечении профиль елки или ласточкина хвоста.
|
|
Диск компрессора первой ступени 221 включает в себя передние уравновешивающие отверстия 242 и задние уравновешивающие отверстия 243. Каждое переднее уравновешивающее отверстие 242 располагается на внешней поверхности 241 в радиальном направлении. Передние уравновешивающие отверстия 242 выровнены по окружности и равномерно расположены на внешней поверхности 241. Каждое заднее уравновешивающее отверстие 243 располагается на внешней поверхности 241 в радиальном направлении. Задние уравновешивающие отверстия 243 выровнены по окружности и равномерно расположены на внешней поверхности 241. Задние уравновешивающие отверстия 243 располагаются рядом с передними уравновешивающими отверстиями 242 и могут быть позади передних уравновешивающих отверстий 242 в осевом направлении, и могут быть смещены по окружности или синхронизированы относительно передних уравновешивающих отверстий 242.
|
|
Передние уравновешивающие отверстия 242 и задние уравновешивающие отверстия 243 располагаются недалеко от центра тяжести диска компрессора первой ступени 221. Задние уравновешивающие отверстия 243 располагаются ближе к центру тяжести диска компрессора первой ступени 221, чем передние уравновешивающие отверстия 242. Передние уравновешивающие отверстия 242 и задние уравновешивающие отверстия 243 имеют резьбу. В одном варианте осуществления изобретения отверстия имеют диаметр 3/8 дюйма. В соответствии с другим вариантом изобретения могут быть использованы другие диаметры.
|
|
Количество передних уравновешивающих отверстий 242 находится в пределах от двенадцати до тридцати. Количество задних уравновешивающих отверстий 243 находится в пределах от двенадцати до тридцати. Количество передних уравновешивающих отверстий 242 и задних уравновешивающих отверстий 243 зависят от диаметра внешней поверхности 241 или количества осевых пазов 235 в диске компрессора первой ступени 221. Задние уравновешивающие отверстия 243 могут быть смещены по окружности или синхронизированы на половину углового расстояния между смежными передними уравновешивающими отверстиями 242. Глубина передних уравновешивающих отверстий 242 и задних уравновешивающих отверстий 243 соответствует размеру передних грузов 256 передней системы уравновешивания 255.
|
|
В одном варианте осуществления количество передних уравновешивающих отверстий 242 составляет двадцать четыре, а число задних уравновешивающих отверстия 243 также составляет двадцать четыре, причем задние уравновешивающие отверстия 243 могут быть смещены по окружности или синхронизированы на 7,5 градусов относительно передних уравновешивающих отверстий 242. Задние уравновешивающие отверстия 243 могут быть смещены на 1,5 дюйма в осевом направлении за передние уравновешивающие отверстия 242. В другом варианте осуществления задние уравновешивающие отверстия 243 имеют глубину, по меньшей мере, 0,75 дюйма.
|
|
Диск компрессора первой ступени 221 включает в себя переднюю поверхность 244, монтажные отверстия ступицы 245 и внутренний осевой фланец 248. Передней поверхностью 244 служит осевая торцевая поверхность, смежная с внешней поверхностью 241. Передняя поверхность 244 выполнена на внешнем осевом фланце 237. Монтажные отверстия ступицы 245 выполнены на передней поверхности 244 в направлении назад по ходу. В одном варианте осуществления монтажные отверстия ступицы 245 выполнены во внешнем осевом фланце 237.
|
|
Внутренний осевой фланец 248 простирается в осевом направлении вперед по ходу от переднего конца 238. Внутренний осевой фланец 248 располагается внутри внешнего осевого фланца 237.
|
|
Диск компрессора первой ступени 221 включает в себя задний сварной элемент 226. Задний сварной элемент 226 имеет кольцевую форму и простирается назад по ходу от цилиндрического корпуса 240.
|
|
Диск компрессора первой ступени 221 дополнительно включает в себя отверстие 249. Отверстие 249 простирается от внутреннего осевого фланца 248 на переднем конце 238 до заднего конца 239. Вал 120 проходит через отверстие 249 диска компрессора первой ступени 221.
|
|
Передний узел крепления диска компрессора 223 расположен на заднем конце передней сварной конструкции 211. Передний узел крепления диска компрессора 223 включает в себя передний сварной элемент 225 и монтажные отверстия передней сварной конструкции 227. Передний сварной элемент 225 имеет кольцевую форму и простирается вперед по ходу от переднего узла крепления диска компрессора 223. Монтажные отверстия передней сварной конструкции 227 расположены на заднем конце переднего узла крепления диска компрессора 223 и простираются вперед по ходу в осевом направлении. В варианте осуществления, показанном на Рис. 3, передний узел крепления диска компрессора 223 также включает в себя кольцевой паз 236 для монтажа окружных лопаток 230 к переднему узлу крепления диска компрессора 223. Кольцевой паз 236 проходит полностью вокруг переднего узла крепления диска компрессора 223. Кольцевой паз 236 имеют профиль елки или ласточкина хвоста.
|
|
Диски компрессора 220, которые не расположены на переднем или заднем концах передней сварной конструкции, включают в себя передний сварной элемент 225 и задний сварной элемент 226. Передний сварной элемент 225 имеет кольцевую форму и простирается вперед по ходу от диска компрессора 220. Задний сварной элемент 226 имеет кольцевую форму и простирается назад по ходу от диска компрессора 220. Задний сварной элемент 226 диска компрессора первой ступени 221 приваривается к переднему сварному элементу 225 последующего диска компрессора 220. Каждый последующий диск компрессора 220 приваривается к предыдущему диску компрессора 220 аналогичным образом. Передний узел крепления диска компрессора 223 приваривается к предыдущему диску компрессора 220 аналогичным образом. В одном варианте осуществления передняя сварная конструкция 211 включает в себя девять дисков компрессора 220, а передний узел крепления диска компрессора 223 представляет собой диск компрессор из девяти ступеней.
|
|
Каждый диск компрессора 220 передней сварной конструкции 211 включает в себя несколько осевых пазов 235 или кольцевой паз 236. Если диск компрессора 220 включает в себя осевые пазы 235, то лишь одна осевая лопатка 229 вставляется в каждой осевой паз 235. Если диск компрессора 220 содержит кольцевой паз 236, то несколько окружных лопаток вставляются в кольцевой паз 236. Грузы под полкой лопатки 260 вставляются в кольцевой паз 236 между окружными лопатками 230 (как показано на Рис. 5). В варианте осуществления, показанном на Рис. 3, первые шесть дисков компрессора 220 включают в себя осевые пазы 235, в то время как седьмой, восьмой, и девятый диски компрессора 220 содержат кольцевой паз 236.
|
|
На Рис.4 показан вид в поперечном сечении задней сварной конструкции ротора компрессора в сборе с Рис. 2Задняя сварная конструкция 212 включает в себя несколько дисков компрессора 220, в том числе диск компрессора последней ступени 222 и задний узел крепления диска компрессора 224. Задний узел крепления диска компрессора 224 включает в себя задний сварной элемент 226 и монтажные отверстия задней сварной конструкции 228. Задний сварной элемент 226 имеет кольцевую форму и простирается назад по ходу от заднего узла крепления диска компрессора 224. Монтажные отверстия задней сварной конструкции 228 расположены на переднем конце заднего узла крепления диска компрессора 224 и простираются назад по ходу в осевом направлении. |
|
Задний сварной элемент 226 заднего узла крепления диска компрессора 224 приваривается к переднему сварному элементу 225 последующего диска компрессора 220. Каждый последующий диск компрессора 220 приваривается к предыдущему диску компрессора 220 аналогичным образом. Диск компрессора последней ступени 222 также приваривается к предыдущему диску компрессора 220 аналогичным образом. В одном варианте осуществления задняя сварная конструкция 212 включает в себя семь дисков компрессора 220. В варианте осуществления, показанном на Рис. 4, задний узел крепления диска компрессора 224 представляет собой диск компрессора десятой ступени, а диск компрессора последней степени 222 является диском компрессора шестнадцатой ступени.
|
|
Каждый диск компрессора 220 задней сварной конструкции 212 включает в себя несколько осевых пазов 235 или кольцевой паз 236. Если диск компрессора 220 включает в себя осевые пазы 235, то лишь одна осевая лопатка 229 вставляется в каждый осевой паз 235. Если диск компрессора 220 содержит кольцевой паз 236, то несколько окружных лопаток 230 вставляются в кольцевой паз 236. Грузы под полкой лопатки 260 вставляются в кольцевой паз 236 между окружными лопатками 230 (как показано на Рис. 5). В варианте осуществления, показанном на Рис. 4, каждый диск компрессора 220 задней сварной конструкции 212 включает в себя кольцевой паз 236. Некоторые кольцевые пазы 236 в передней сварной конструкции 211 и задней сварной конструкции 212 имеют профиль в поперечном сечении в виде ласточкина хвоста или елки.
|
|
На Рис. 5 представлен вид в перспективе части ротора компрессора в сборе 210, показанного на Рис. 2, с установленными по окружности лопатками 230 и примерными грузами под полкой лопатки 260, а также диск компрессора 220 с местным разрезом, чтобы показать хвост основания 234 лопаток ротора компрессора 230 и груз под полкой лопатки 260. Каждая окружная лопатка 230 включает себя несущую поверхность лопатки 231 и основание лопатки 232. Каждое основание лопатки 232 содержит полку лопатки 233 и хвост основания лопатки 234. Полка лопатки 233 прикреплена к концу несущей поверхности лопатки 231. Хвост основания лопатки 234 простирается от полки лопатки 233 в направлении, противоположном несущей поверхности лопатки 231. Хвост основания лопатки 234 имеет профиль ласточкина хвоста или елки, что соответствует форме ласточкина хвоста или елки кольцевого паза 236. |
|
Каждый груз под полкой лопатки 260 имеет форму, соответствующую форме ласточкина хвоста или елки у хвоста основания лопатки 234. Форма каждого груза под полкой лопатки 260 соответствует профилю кольцевого паза 236. Высота каждого груза под полкой лопатки 260 имеет размер, позволяющий верхней части груза под полкой лопатки 260 не контактировать с полкой лопатки 233. Ширина каждого груза под полкой лопатки 260 имеет размер, подогнанный для соседних окружных лопаток 230. Ширина может быть рассчитана на основе допусков для грузов под полкой лопатки 260 и хвоста основания 234 окружных лопаток 230, чтобы обеспечить подгонку грузов под полкой лопатки 260 к хвостам основания 234. |
|
Рассчитывается ширина каждого груза под полкой лопатки 260, чтобы избежать излишков пространства между каждым грузом под полкой лопатки 260 и соседними хвостами основания окружных лопаток. Излишний зазор позволяет грузу под полкой лопатки смещаться и изменять балансировку ротора компрессора в сборе 210. Для системы уравновешивания могут использоваться несколько конфигураций и типоразмеров грузов под полкой лопатки 260. Например, диски компрессора 220 с кольцевыми пазами могут быть разделены на смежные секции, где каждая секция включает в себя один или несколько дисков компрессора 220. Для каждой секции может применяться другой набор грузов под полкой лопатки 260. Один вариант осуществления включает в себя четыре секции. Первая секция содержит один диск компрессора. Вторая секция является смежной с задней по ходу первой секцией и включает в себя два соседних диска компрессора. Третья секция является смежной с задней по ходу второй секцией и включает в себя четыре соседних диска компрессора. Четвертая секция является смежной с задней по ходу третьей секцией и включает в себя три соседних диска компрессора. |
|
В варианте осуществления, показанном на Рис. 2, 3 и 4, первые грузы под полкой лопатки используются для первой секции. Первая секция включает в себя диск компрессора седьмой ступени. Вторые грузы под полкой лопатки используются для второй секции. Вторая секция включает в себя диски компрессора восьмой и девятой ступени. Третьи грузы под полкой лопатки используются для третьей секции. Третья секция включает в себя диски компрессора с десятой по тринадцатую ступени. Четвертые грузы под полкой лопатки используются для четвертой секции. Четвертая секция включает в себя диски компрессора с четырнадцатой по шестнадцатую ступени. |
|
На Рис. 6 показан вид в перспективе груза под полкой лопатки 260 с Рис. 5. На Рис. 7 показан вид сбоку груза под полкой лопатки с Рис. 5. Как показано на Рис. 6 и 7, каждый груз под полкой лопатки 260 включает в себя верхнюю поверхность 261, нижнюю поверхность 262, верхнюю стыковочную поверхность 263 на каждом конце, нижнюю стыковочную поверхность 264 на каждом конце и две боковые поверхности 265. Поперечное сечение или профиль в форме ласточкина хвоста может представлять собой выпуклый шестиугольник с двумя параллельными сторонами. В варианте осуществления, показанном на Рис. 6 и 7, верхняя поверхность 261 и нижняя поверхность 262 параллельны друг другу и составляют две параллельные стороны шестигранника. Поверхности, образующие шестигранник, могут иметь различную длину. Например, в варианте осуществления, показанная верхняя поверхность 261 длиннее верхней стыковочной поверхности 263, а верхняя стыковочная поверхность 263 длиннее нижней поверхности 264. |
|
Каждая верхняя стыковочная поверхность 263 может простираться от конца верхней поверхности 261 под углом от 90 до 180 градусов. Каждая нижняя стыковочная поверхность 264 может простираться от конца нижней поверхности 262 под углом от 90 до 180 градусов. Пересечение верхней стыковочной поверхности 263 и нижней стыковочной поверхности 264 на каждом конце каждого груза под полкой лопатки 260 может быть под углом между 90° и 180°. Боковые поверхности 265 простираются от верхней поверхности 261 к нижней поверхности 262. Боковые поверхности 265 перпендикулярны верхней поверхности 261 и нижней поверхности 262. Каждый конец груза под полкой лопатки 260 симметричен. |
|
Кромки между поверхностями и стыковочными поверхностями могут быть скошены или закруглены. В варианте осуществления, показанном на Рис. 5, 6 и 7, кромки между верхней поверхностью 261 и боковыми поверхностями 265 имеют фаску 266, а кромки между верхней стыковочной поверхностью 263 и нижней стыковочной поверхностью 264, нижней поверхностью 262 и нижней стыковочной поверхностью 264, верхней стыковочной поверхностью 263 и боковыми поверхностями 265 закруглены. |