Способ валоповорота ротора турбомашины, валоповоротное устройство для валоповорота ротора турбомашины и газовая турбина, содержащая упомянутое валоповоротное устройство

При валоповороте ротора турбомашины прекращают работу турбомашины, соединяют валоповоротное средство с ротором, чтобы вращать ротор вокруг оси турбомашины, позволяют ротору охладиться и затем вращают ротор посредством валоповоротного средства во время охлаждения ротора. При этом определяют силу или крутящий момент, приложенные к ротору посредством валоповоротного средства для вращения ротора, и/или скорость вращения поверхности ротора во время валоповорота. Уменьшают прогибание или нарушение баланса ротора, возникающие из-за неравномерного распределения температуры на роторе во время охлаждения, путем управления вращением ротора посредством валоповоротного средства в зависимости от определенных силы или крутящего момента и/или скорости вращения поверхности. Другое изобретение группы относится к валоповоротному устройству для осуществления указанного способа, включающему блок управления, выполненный с возможностью приема сигналов от датчика скорости и/или привода валоповоротного средства. Еще одно изобретение группы относится к газовой турбине, содержащей указанное выше валоповоротное устройство. Группа изобретений позволяет снизить прогиб ротора турбомашины, возникающего из-за неравномерного распределения тепла во время охлаждения. 3 н. и 15 з.п. ф-лы, 5 ил.

 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

Настоящее изобретение относится к технологии турбомашин. Оно относится к способу валоповорота ротора турбомашины, на который действуют тепловые нагрузки, согласно родовому понятию пункта 1 формулы. Оно также относится к валоповоротному устройству для осуществления такого способа.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Крупные роторы турбомашинного оборудования должны вращаться во время охлаждения по меньшей мере на малой скорости, чтобы обеспечить равномерное охлаждение (поворачивание ротора/работа валоповорота). Необходимое вращение ротора обеспечивается посредством специальных устройств (валоповорота ротора или устройств, поворачивающих ротор).

Во время охлаждения в канале потока присутствуют большие отклонения температуры в направлении окружности вследствие естественной конвекции. Если это изменение температуры по окружности передается на ротор, ротор будет прогибаться вследствие неравномерного теплового расширения. Прогибание ротора может привести к соприкосновению ротора со статором, что в результате приведет к блокированию ротора. Блокированный ротор приводит к невозможности использования турбомашины. Соприкосновение между ротором и статором приводит к ухудшению состояния деталей из-за трения.

Документ US 4,905,810 А раскрывает устройство и способ

периодического вращения роторной установки турбогенератора в течение времени, когда она не вращается в обычном режиме для вырабатывания энергии, в котором непрерывно работающий двигатель периодически подключается через электрически управляемый со скоростью крутящего момента зажимной механизм и зубчатый механизм с зубчатой передачей, установленной на валу ротора, таким образом, чтобы поворачивать вал на 180° на низкой скорости. Положение ротора определяют при помощи электрического подсчета зубцов зубчатой передачи на валу ротора, а подсчитанное количество зубцов сравнивается с заданным числом в счетчике, который по достижении числа подсчета, заданного в счетчике, отсоединяет двигатель от зубчатой передачи ротора и приступает к торможению. Устанавливаемый таймер периодически отпускает тормоз и соединяет двигатель с зубчатой передачей ротора. Устройство может содержать регистратор для регистрации вращения вала и сигнализацию для указания на сбой вращения ротора, когда таймер выдает пусковой сигнал.

Документ US 4,267,740 A раскрывает устройство для вращения вала турбины. Это устройство содержит храповое колесо, которое соединено с валом, и собачку, которая входит в зацепление с зубьями храпового колеса. Зубья храпового колеса имеют опорные поверхности с выпуклыми изгибами, тогда как собачка имеет контактную поверхность, которая также имеет выпуклый изгиб.

Документ ЕР 0266581 А1 раскрывает установку для поворачивания вала турбоагрегата посредством двигателя с гидравлической передачей с взаимосоединением с муфтой свободного хода, причем вал устанавливается на нескольких гидродинамических опорах, которые предпочтительно также имеют отверстия подачи масла системы поднятия вала, отличающуюся тем, что двигатель с гидравлической передачей и муфта свободного хода закреплены в совмещении с валом на передней стене передней опоры вала и тем, что, кроме того, муфта свободного хода установлена посредством роликовых опор, а передняя опора вала имеет дополнительное гидростатическое крепление для центровки по отношению к муфте свободного хода.

Документ GB 564,519 А раскрывает валоповоротный механизм для роторов машин и двигателей различных видов, содержащий приводимые в действие давлением текучей среды поршни и приводимые в действие таким образом храповые передачи.

Однако существующие приводы валоповорота ротора вращают ротор турбомашины с постоянной скоростью вращения поверхности и не могут противодействовать появляющемуся прогибанию ротора.

РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Из вышеуказанного следует, что задача настоящего изобретения состоит в создании способа и устройства для валоповорота ротора турбомашины во время охлаждения, которые уменьшают или устраняют прогибание ротора вследствие неравномерного распределения тепла во время охлаждения.

Эта и другие задачи решаются способом по пункту 1 формулы и валоповоротным устройством по пункту 9 формулы.

Способ валоповорота ротора турбомашины, находящейся под воздействием тепловых нагрузок, согласно изобретению содержит этапы, на которых:

прекращают работу в штатном режиме упомянутой турбомашины;

обеспечивают валоповоротное устройство для вращения упомянутого ротора вокруг оси машины;

соединяют упомянутое валоповоротное устройство с упомянутым ротором;

позволяют упомянутому ротору охладиться; и

вращают упомянутый ротор посредством упомянутого валоповоротного устройства во время охлаждения упомянутого ротора.

Он отличается тем, что затем определяют силу или крутящий момент, приложенный к упомянутому ротору посредством упомянутого валоповоротного устройства для вращения упомянутого ротора, и/или скорость вращения поверхности ротора во время валоповорота; и

управляют вращением упомянутого ротора посредством упомянутого валоповоротного устройства в зависимости от упомянутых определенных силы или крутящего момента и/или скорости вращения поверхности, чтобы уменьшить прогибание или нарушение баланса упомянутого ротора, которые возникают из-за неравномерного распределения температуры на упомянутом роторе во время охлаждения.

Согласно одному из вариантов осуществления способа согласно изобретению прогибание или нарушение баланса упомянутого ротора возникает по причине неравномерного температурного поля по периферии снаружи упомянутого ротора, и упомянутый ротор вращается с помощью упомянутого валоповоротного устройства таким образом, чтобы упомянутое неравномерное распределение температуры на упомянутом роторе уменьшалось посредством упомянутого неравномерного температурного поля по периферии снаружи упомянутого ротора.

Более конкретно, упомянутый ротор непрерывно вращается посредством упомянутого валоповоротного устройства, и скорость вращения поверхности изменяется в зависимости от упомянутых определенных силы или крутящего момента и/или скорости вращения поверхности.

Согласно другому варианту осуществления изобретения упомянутый ротор вращается посредством упомянутого валоповоротного устройства ступенчатым образом.

Предпочтительно упомянутый ротор вращается с помощью валоповоротного устройства, использующего храповой механизм.

Согласно другому варианту осуществления изобретения упомянутое валоповоротное устройство приводится в движение посредством электрического привода, и ток упомянутого привода измеряется для определения упомянутой силы или приложенного к упомянутому ротору крутящего момента.

Согласно другому варианту осуществления изобретения упомянутое валоповоротное устройство приводится в движение посредством гидравлического давления, и упомянутое гидравлическое давление измеряют для определения упомянутой силы или приложенного к упомянутому ротору крутящего момента.

Согласно другому варианту осуществления изобретения упомянутая турбомашина является стационарной газовой турбиной.

Валоповоротное устройство для осуществления способа согласно изобретению содержит валоповоротное устройство с приводом валоповорота, который может быть соединен с ротором упомянутой турбомашины. Она характеризуется тем, что блок управления обеспечивает управление упомянутым валоповоротным устройством и что упомянутый блок управления принимает сигналы от датчика скорости и/или упомянутого привода валоповорота упомянутого валоповоротного устройства.

Согласно варианту осуществления устройства согласно изобретению предусмотрен датчик скорости и упомянутый датчик скорости выполнен с возможностью измерения скорости вращения поверхности упомянутого ротора.

Согласно одному из вариантов осуществления устройства предусмотрен датчик для измерения силы или момента, необходимых для поворота ротора. В частности, сила или момент могут определяться на основании положения ротора (угла).

Согласно другому варианту осуществления изобретения упомянутый привод валоповорота содержит электрический двигатель, а упомянутый блок управления принимает сигналы, которые имеют отношение к электрическому току, проходящему в упомянутом электрическом двигателе. Блок управления может быть выполнен с возможностью определения необходимой силы или момента для поворота ротора на основании этого сигнала. В частности, сила или момент могут определяться на основании положения ротора (угла).

Более конкретно, упомянутый электрический двигатель представляет собой сервопривод.

Согласно дополнительному варианту осуществления изобретения упомянутое валоповоротное устройство содержит валоповоротный механизм с собачкой, которая выполнена с возможностью возвратно-поступательного взаимодействия с храповым колесом на упомянутом роторе.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Теперь настоящее изобретение будет объяснено более подробно посредством различных вариантов осуществления и со ссылкой на прилагаемые чертежи.

Фиг. 1 изображает вид в перспективе стационарной газовой турбины с последовательным сгоранием, известной из уровня техники;

Фиг. 2 изображает вид в перспективе валоповоротного устройства как части храпового механизма;

Фиг. 3 изображает встраивание валоповоротного устройства по Фиг. 2 внутрь газовой турбины;

Фиг. 4 изображает храповой механизм, включающий в себя валоповоротное устройство по Фиг. 2; и

Фиг. 5 изображает схему управления валоповоротным устройством согласно одному из вариантов осуществления изобретения.

ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Фиг. 1 изображает вид в перспективе стационарной газовой турбины с последовательным сгоранием, известной из уровня техники. Газовая турбина 10 по Фиг. 1 общеизвестного типа GT26 содержит ротор 11, который вращается вокруг оси машины (37 на Фиг. 5) и концентрически окружен корпусом 12. Между корпусом 12 и ротором 11 проходит кольцевой горячий газовый канал от впускного отверстия 13 для воздуха до выпускного отверстия 19 для выхлопного газа. Компрессор 14 дальше по ходу относительно впускного отверстия 13 для воздуха всасывает и сжимает воздух, который подается к первой камере 15 сгорания, где первое сгорание впрыскиваемого топлива образует горячий газ для турбины 16 высокого давления дальше по ходу относительно упомянутой первой камеры 15 сгорания.

После прохождения турбины 16 высокого давления горячий газ, который по-прежнему содержит сжигаемый воздух, используется во второй камере 17 сгорания для сжигания второго топлива и, таким образом, повторного нагревания горячего газа. Горячий газ, выходя из второй камеры 17 сгорания, приводит в движение турбину 18 низкого давления и поступает к выпускному отверстию 19 для выхлопного газа, чтобы быть выпущенным либо в трубу, либо парогенератор возврата тепла в случае электростанции комбинированного цикла CCPP.

Когда такая газовая турбина 10 выключена после работы в штатном режиме, неравномерное распределение температуры по окружности в горячем газовом канале приводит к неравномерному распределению температуры по окружности в роторе, которое способствует сгибанию ротора по отношению к его оси вследствие разного теплового расширения при разных температурах, даже когда ротор поворачивается с постоянной скоростью вращения во время охлаждения.

В соответствии с замыслом настоящего изобретения процесс поворачивания ротора изменяет скорость привода по окружности, чтобы удержать ротор крупных турбомашин в прямолинейном и соосном положении или вернуть его в такое положение.

Сгибание ротора во время охлаждения будет приводить к «прогибу» ротора, на который действует сила тяжести. Сила тяжести на прогибе будет приводить к неравномерным силам приводов поворачивания/вращения ротора в направлении окружности. К тому же скорость вращения поверхности ротора будет изменяться.

Следовательно, должно быть введено непрерывное отслеживание и вычисление силы привода и/или скорости вращения поверхности ротора турбомашины. С помощью этого вычисления будет определяться место прогиба ротора или нарушения окружности. Скорость вращения поверхности будет изменяться. С помощью изменения скорости вращения имеющееся (неравномерное) окружающее температурное поле по периферии будет использовано для выпрямления ротора обратно в соосное положение.

Фиг. 2 изображает на виде в перспективе валоповоротное устройство, которое может быть использовано как часть храпового механизма подобно механизму из вышеприведенного документа US 4,267,710 A. Валоповоротное устройство 20 по Фиг. 2 включает в себя эксцентриковый вал 24, поддерживается с возможностью вращения уголком 21 U-образной скобы и пластиной 22 U-образной скобы. Эксцентриковый вал приводится в движение посредством сервопривода 29, соединенного с валом зубчатым редуктором 26 и соединительным кожухом 25. На эксцентриковом валу 24 установлена тяга 23, которая преобразует вращение вала 24 в возвратно-поступательное движение, приводя в движение валоповоротный поршень 31 посредством опоры 30 конца тяги. Возвратно-поступательное движение валоповоротного поршня 31 в валоповоротном корпусе 32 приводит к соответствующему движению собачки 33, установленной на свободном конце поршня на внутренней стороне скобы 36. Как показано подробно на Фиг. 4, собачка 33, нагруженная пружиной 35, входит в зацепление с зубцами храпового колеса 34 на роторе во время работы валоповорота. Валоповоротное устройство 20 по Фиг. 2 может быть встроено внутрь газовой турбины как например показано на Фиг. 3.

Сервопривод 29 оборудован разъемом 28 питания для подачи электроэнергии и сигнальным разъемом 27 для приема сигналов управления и передачи сигналов в отношении активной мощности или тока, используемых во время процесса валоповорота (см. Фиг. 5).

Вместо храпового механизма, показанного на Фиг. 2-4, могут быть использованы другие виды валоповоротных устройств.

Для получения информации о дисбалансе или прогибании ротора под воздействием неравномерного распределения температуры может быть измерена сила, которая необходима для процесса валоповорота. Эта сила привода или крутящий момент могут быть либо непосредственно измерены, например, датчиком силы, установленным на собачке, или чем-нибудь подобным, или опосредованным вычислением. Способы опосредованного вычисления содержат измерение тока электрического приводного двигателя или промежуточного давления срабатывания пневматического или гидравлического привода.

Может быть измерена или определена скорость вращения поверхности ротора.

Как указано выше, непрерывное отслеживание и вычисление силы привода и/или скорости вращения поверхности ротора турбомашины дает необходимую информацию о месте прогиба ротора или окружного повреждения.

Во время процесса охлаждения скорость вращения поверхности будет изменяться. С помощью изменения скорости вращения имеющееся (неравномерное) окружающее температурное поле по периферии будет использовано для выпрямления ротора обратно в соосное положение.

Фиг. 5 изображает упрощенную схему соответствующей валоповоротной конструкции. Ротор 11, прогибание которого представлено пунктирными линиями, вращается вокруг оси 37 машины. Скорость вращения поверхности может быть измерена с помощью датчиков 40 и/или 41 скорости, которые расположены на частях ротора с различным радиусом, таким образом обеспечивая различную чувствительность из-за различной скорости вращения поверхности. Сигналы от датчиков 40, 41 скорости передаются на блок 42 управления, который управляет работой валоповоротного устройства 20. В данном примере валоповоротное устройство представляет собой тип храпового механизма и имеет валоповоротный механизм 38, взаимодействующий с храповым колесом 34 способом, поясненным выше.

Привод 39 валоповорота принимает сигналы управления от блока 42 управления по линии 44 управления и отправляет информацию о потребляемой электрической энергии по сигнальной линии 45 обратно на блок 42 управления. Блок 42 управления может быть соединен с пультом 43 отображения/управления для отображения различных параметров во время процесса валоповорота и приема входящих команд на различных этапах процесса.

Во время охлаждения газовой турбины, как показано на Фиг. 1, между верхней и нижней стороной корпуса турбины может иметь место разность температур около 80°. Если ротор стоит неподвижно, его верхняя сторона будет теплее, что приводит к прогибу на верхней стороне.

В случае такого прогиба соответствующую сторону необходимо держать в более низкой и более холодной области газовой турбины в течение более длительного времени.

При измерении или определении крутящего момента валоповорота это может быть сделано посредством:

определения крутящего момента электрического двигателя, например, посредством измерения тока возбуждения или напряжения;

непосредственного измерения приложенной силы, например, посредством тензометрического датчика или тому подобного;

измерения гидравлического давления в гидравлическом приводе валоповорота.

Если величина крутящего момента валоповорота, который необходимо создать, является большой, то положение прогиба ротора находится на стороне, куда приложен крутящий момент валоповорота. Соответственно эта сторона вращается с повышенной скоростью по (более горячей) верхней части корпуса (после поворота приблизительно на 90°) и вращается с пониженной скоростью по (более холодной) нижней части корпуса (после поворота приблизительно на 270°).

Вращение может быть непрерывным поворачиванием. Однако поворачивание ротора может быть выполнено посредством упомянутого валоповоротного устройства также ступенчатым образом. Ступенчатое поворачивание выполняется, например, если упомянутый ротор вращается посредством упомянутого валоповоротного устройства, использующего храповый механизм. Для такой системы скорость поворота определяют на основании временного интервала между циклами зацепления и/или нажима храпового механизма, т.е. интервал времени между двумя нажатиями или подпирающими действиями уменьшается, увеличивая скорость поворота. Непрерывное наблюдение или измерение для такого опорного устройства может означать, что сила или соответственно момент определяется во время взаимодействия внутри храпового механизма.

В особых случаях ротор может быть остановлен с прогибом, расположенным на нижней части корпуса. Фактическая скорость вращения во время валоповорота и возможное время покоя в определенном положении зависят от определяемой величины эффекта прогиба и приблизительно пропорциональны изменению крутящего момента.

Валоповоротный механизм может входить в зацепление с валом ротора в любом месте. Однако предпочтительным является размещение механизма на холодном конце газовой турбины, т.е. на стороне компрессора.

Путем осуществления изобретения увеличивается коэффициент использования турбомашины, поскольку предотвращаются блокирования ротора.

ПЕРЕЧЕНЬ ССЫЛОЧНЫХ ПОЗИЦИЙ

10 газовая турбина (например, тип GT26)

11 ротор/ось

12 корпус

13 впускное отверстие для воздуха

14 компрессор

15 камера сгорания (например, EV горелка)

16 турбина высокого давления

17 камера сгорания (например, SEV горелка)

18 турбина низкого давления

19 выпускное отверстие для выхлопного газа

20 валоповоротное устройство

21 уголок U-образной скобы

22 пластина U-образной скобы

23 тяга

24 эксцентриковый вал

25 соединительный кожух

26 зубчатый редуктор

27 сигнальный разъем

28 разъем питания

29 сервопривод

30 опора конца тяги

31 валоповоротный поршень

32 валоповоротный корпус

33 собачка

34 храповое колесо

35 пружина

36 скоба

37 ось машины

38 валоповоротный механизм

39 привод валоповорота

40, 41 датчики скорости

42 блок управления

43 пульт отображения/управления

44 линия управления (валоповоротное устройство)

45 сигнальная линия (валоповоротное устройство)

1. Способ валоповорота ротора (11) турбомашины (10), на который действуют тепловые нагрузки, содержащий этапы, на которых:
прекращают работу в штатном режиме упомянутой турбомашины (10);
соединяют валоповоротное средство (20) с упомянутым ротором (11) таким образом, чтобы вращать упомянутый ротор (11) вокруг оси (37) машины;
позволяют упомянутому ротору (11) охладиться; и
вращают упомянутый ротор (11) посредством упомянутого валоповоротного средства (20) во время охлаждения упомянутого ротора (11);
отличающийся тем, что
затем определяют силу или крутящий момент, приложенные к упомянутому ротору (11) посредством упомянутого валоповоротного средства (20) для вращения упомянутого ротора (11), и/или скорость вращения поверхности ротора (11) во время валоповорота; и
уменьшают прогибание или нарушение баланса упомянутого ротора (11), которые возникают из-за неравномерного распределения температуры на упомянутом роторе (11) во время охлаждения, путем управления вращением упомянутого ротора (11) посредством упомянутого валоповоротного средства (20) в зависимости от упомянутых определенных силы или крутящего момента и/или скорости вращения поверхности.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что прогибание или нарушение баланса упомянутого ротора (11) возникает по причине неравномерного температурного поля по периферии снаружи упомянутого ротора (11) и что упомянутый ротор (11) вращают посредством упомянутого валоповоротного средства (20) таким образом, чтобы упомянутое неравномерное распределение температуры на упомянутом роторе (11) уменьшалось путем изменения скорости вращения.

3. Способ по п. 2, отличающийся тем, что неравномерное распределение температуры на упомянутом роторе (11) уменьшается путем вращения стороны ротора, на которой находится прогиб, с повышенной скоростью по более горячей верхней части корпуса и с пониженной скоростью по более холодной нижней части корпуса.

4. Способ по п. 2, отличающийся тем, что упомянутый ротор (11) непрерывно вращают посредством упомянутого валоповоротного средства (20) и что скорость вращения поверхности изменяют в зависимости от упомянутых определенных силы или крутящего момента и/или скорости вращения поверхности.

5. Способ по одному из пп. 1-4, отличающийся тем, что упомянутый ротор (11) вращают посредством упомянутого валоповоротного средства (20) ступенчатым образом.

6. Способ по п. 5, отличающийся тем, что упомянутый ротор (11) вращают посредством упомянутого валоповоротного средства (20) с использованием храпового механизма (33, 34).

7. Способ по одному из пп. 1-4, отличающийся тем, что упомянутое валоповоротное средство (20) приводят в действие посредством электрического двигателя (29) и что измеряют ток упомянутого двигателя (29) для определения упомянутых силы или крутящего момента, приложенных к упомянутому ротору (11).

8. Способ по одному из пп. 1-4, отличающийся тем, что упомянутое валоповоротное средство (20) приводят в действие посредством гидравлического давления и что измеряют упомянутое гидравлическое давление для определения упомянутых силы или крутящего момента, приложенных к упомянутому ротору (11).

9. Способ по одному из пп. 1-4, отличающийся тем, что упомянутая турбомашина является стационарной газовой турбиной (10).

10. Валоповоротное устройство (20; 40-45) для осуществления способа по одному из пп. 1-9, причем упомянутое валоповоротное устройство (20; 40-45) содержит валоповоротное средство (20) с приводом (39) валоповорота, который может быть соединен с ротором (11) упомянутой турбомашины (10), отличающееся тем, что блок (42) управления обеспечивает управление упомянутым валоповоротным средством (20) и что упомянутый блок (42) управления принимает сигналы от датчика (40, 41) скорости и/или упомянутого привода (39) валоповорота упомянутого валоповоротного средства (20).

11. Валоповоротное устройство по п. 10, отличающееся тем, что валоповоротное устройство соединено с ротором (11) турбомашины.

12. Валоповоротное устройство по п. 10, отличающееся тем, что валоповоротное устройство содержит датчик для измерения силы или момента, необходимых для поворота ротора.

13. Валоповоротное устройство по п. 12, отличающееся тем, что датчик для измерения силы или момента, необходимых для поворота ротора, выполнен с возможностью измерения силы или момента на основании положения ротора (11).

14. Валоповоротное устройство по п. 10, отличающееся тем, что предусмотрен датчик (40, 41) скорости и что упомянутый датчик (40, 41) скорости выполнен с возможностью измерения скорости вращения поверхности упомянутого ротора (11).

15. Валоповоротное устройство по п. 10, отличающееся тем, что привод (39) валоповорота содержит электрический двигатель (29) и что упомянутый блок (42) управления принимает сигналы, которые относятся к электрическому току, протекающему в упомянутом электрическом двигателе (29).

16. Валоповоротное устройство по п. 15, отличающееся тем, что упомянутый электрический двигатель представляет собой сервопривод (29).

17. Валоповоротное устройство по одному из пп. 10-16, отличающееся тем, что упомянутое валоповоротное средство (20) содержит валоповоротный механизм (38) с собачкой (33), которая выполнена с возможностью возвратно-поступательного взаимодействия с храповым колесом (34) на упомянутом роторе (11).

18. Газовая турбина, содержащая валоповоротное устройство (20; 40-45) по одному из пп. 10-17.