СПОСОБ РАБОТЫ ПАРОВОЙ ТУРБИНЫ Российский патент 1998 года по МПК F01D9/02 

Изобретение относится к энергетике и может быть использовано на паровых турбинах.

Известен традиционный способ работы паровой турбины, содержащей проточную часть из многоступенчатого ротора с дисками, снабженными рабочими лопатками, и расположенными между ними дисками диафрагм с сопловыми лопатками на ободе, заключающийся в пропуске пара через нее для вращения ротора и имеющий неизбежную протечку части пара помимо лопаток через лабиринтовые уплотнения как по валу ротора, так и через разгрузочные отверстия в его дисках и по периферии рабочих лопаток [1, рис. 2.15, с.42].

Наряду с доведением до совершенства проточной части известные паровые турбины имеют недостатки, заключающиеся в наличии отрывных зон на вогнутых поверхностях лопаток при истечении пара, хорошо видимые на тенеграмме [2, рис. 3, с.27]. В [3, с.36-42] более детально изучены и наглядно показаны возникающие отрывные зоны на вогнутых поверхностях турбинных лопаток с оценкой, "что примерно 36% вогнутой поверхности занято отрывной зоной".

Отрывные зоны возникают из-за торможения потока на входных кромках лопаток.

Такой же процесс, хотя и менее выраженный из-за более острых кромок, имеет место на рабочих лопатках с негативными последствиями [3, с.42]. Рабочие лопатки ротора находятся во вращательном движении, и соударение набегающей струи с входными кромками лопаток является также фактором торможения на них потока, являющимся причиной, как указано выше, возникновения отрывных зон на вогнутых поверхностях.

Возникновение отрывных зон стимулирует термическую усталость лопаток, приводит к повышенному уровню потерь с соответствующим снижением надежности и экономичности [2, 3].

Целью изобретения является улучшение аэродинамики процессов в турбинных лопатках с повышением надежности и экономичности турбин.

Цель достигается тем, что отрывные зоны в вогнутых поверхностях лопаток заполняются паром извне, поступающим в них по радиально направленным сквозным каналам в дисках проточной части от зон протечек пара помимо турбинных лопаток, который затем используется также для полезной работы.

В дисках диафрагм эти каналы в указанные зоны выполняются от их центральных отверстий из зон лабиринтовых уплотнений по различным техническим решениям на диафрагме с полыми сопловыми лопатками [4].

В дисках вращающегося ротора подобные каналы тоже можно выполнить по новому техническому решению: от разгрузочных отверстий дисков в самих дисках и через отверстия в хвостовых частях рабочих лопаток к отрывным зонам в их вогнутых поверхностях.

Поступление пара к ним по каналам будет происходить под воздействием центробежных сил вращающегося ротора по известному выражению: R = m•ω²•r , где m - масса пара, ω - угловая скорость вращения; r - радиус расположения этих отверстий имеет больший размер в сравнении с радиусом вала ротора, и величина центробежной силы будет соответственно больше (в прямой пропорции увеличения радиуса).

Отрывные зоны, по сути, это нерабочие участки турбинных лопаток, условно пустоты, заполненные хаотично попадающим в них паром, что приводит к потерям, пульсациям, вибрациям лопаточного аппарата и в целом паровой турбины [2, 3]. В практике работы турбин часто возникают различные трудноустранимые вибрации с поисками причин, зачастую безуспешными, так как они имеют комплексный характер. Количество пара за счет протечек помимо турбинных лопаток уменьшается от ступени к ступени, и вероятность ухудшения аэродинамики потока через турбинные лопатки не может улучшаться, скорее наоборот. Заполнение паром извне "пустот" - отрывных зон - в вогнутых поверхностях турбинных лопаток помимо устранения уменьшения количества пара, не проходящего через турбинные лопатки, в данном случае улучшит аэродинамику процесса формирования струи, поскольку весь канал между лопатками, ограниченный их поверхностями, будет плотно заполнен паром с постоянным пополнением зон отрыва паром извне, поступающим к ним по предлагаемым каналам в дисках именно в эти зоны. Учитывая сложность выполнения каналов в дисках ротора через лопатки (хотя это вполне выполнимо на вновь создаваемых турбинах), можно ограничиться по предлагаемому в заявке техническому решению и вариантом подвода пара в отрывные зоны только через сопловые лопатки на всю их длину с щелевым выходом пара из них, что упростит реализацию на действующих турбинах в периоды их капитальных ремонтов и не будет противоречить сущности заявки на изобретение и отличительной части формулы изобретения.

На фиг. 1 показана паровая турбина (ее проточная часть из нескольких ступеней по оси вала ротора, так как последующие ступени по технологическому процессу аналогичны) в предельном исполнении с каналами в отрывные зоны вогнутых поверхностей как в сопловых лопатках, так и рабочих. Паровая турбина содержит корпус 1, ротор 2 с дисками 3, их разгрузочные отверстия 4 и рабочие лопатки 5 с бандажом 6 и уплотнениями 7, диафрагмы 8 с соплами 9 (разрез по А-А), образуемые лопатками 10, сегменты 11 лабиринтового уплотнения с гребнями 12, входящими в пазы 13 ротора 2. В дисках диафрагм 8 имеются каналы 14 от их центральных отверстий в сопловые лопатки 10 с щелевыми выходами 15 в зоны их вогнутых поверхностей. Сегменты 11 прижимаются к валу ротора 2 рессорными пружинами 16 и имеют пазы 17 под каналами 14, вид которых указан на фиг.2. Поскольку рессорные пружины 16 прижимают сегменты 11 к валу ротора, то между их поверхностями и внутренней поверхностью центрального отверстия в диафрагмах образуется кольцевой зазор 18, который на стороне входа пара может быть при необходимости для увеличения подвода пара к каналам 14 несколько увеличен. В дисках 3 ротора 2 выполнены каналы 19 от разгрузочных отверстий 4. Аналогичные каналы выполнены также в теле хвостовой части рабочих лопаток 5, выходящие к их вогнутым поверхностям, которые совмещаются с каналами 19 в дисках 3 при сборке ротора.

На фиг.2 показана развертка поверхности сегмента 11 по разрезу В-В с пазами 17; на фиг.3 - более упрощенный вариант выполнения каналов 14 в сопловых лопатках 10 сверлением каналов через обод диафрагм 8 и их диски с подводом пара в вогнутые зоны лопаток 10 через боковые отверстия 20 из промежутка между дисками диафрагм и ротора. Входные отверстия на ободе диафрагм заглушаются электросваркой.

Работа паровой турбины осуществляется следующим образом. Подводимый к соплам 9 пар ускоряется с преобразованием потенциальной энергии в кинетическую со снижением при расширении его давления и поступает на рабочие лопатки 5 ротора 2, приводя его во вращение с совершением механической работы по известному технологическому процессу (более подробно описан в 1, с.34-35). Выходящий отработанный в ступени пар поступает с некоторой выходной скоростью в сопла последующей ступени, и так от ступени к ступени процесс аналогичен.

В процессе совершения механической работы вращающимся ротором происходит протечка пара через уплотнения 7 по ободу дисков 3 и по его валу через лабиринтовые уплотнения 12, 13. По каналам 14 подается пар, выбрасываемый через пазы 17 под воздействием центробежной силы, при вращении ротора, и через зазоры 18 между поверхностями сегментов 11 и центральных отверстий диафрагм 8, который поступает в сопловые лопатки 10 на всю их высоту и через щелевые каналы 15 заполняет отрывные зоны на их вогнутых поверхностях, улучшая аэродинамику формирования выходящей из сопел струи пара с уменьшением потерь при входе пара на рабочие лопатки 5. По каналам 19 также отбирается часть пара, протекающего через разгрузочные отверстия 4, и используются для заполнения отрывных зон на вогнутых поверхностях рабочих лопаток 5.

Таким образом, отбором пара, не проходящего через турбинные лопатки, в зоны их вогнутых поверхностей улучшится аэродинамика струи пара с уменьшением потерь и повышением надежности и экономичности паровой турбины. Несколько также снизится металлоемкость турбины, улучшится прогрев турбины при пуске, а также частично используется тепло пара, получаемое им при вращении ротора (за счет сил трения при протечках в зоны помимо лопаток).

Способ может быть использован в энергетике для паровых турбин. Возникающие из-за торможения пара отрывные зоны на вогнутых поверхностях лопаток проточной части турбин с целью повышения надежности и экономичности при вращении ротора заполняются паром, отбираемым извне от зон протечек пара помимо них по радиально направленным каналам в дисках и лопатках в эти зоны. 3 ил.

Способ работы паровой турбины, содержащей проточную часть из многоступенчатого ротора с дисками, снабженными рабочими лопатками и расположенными между ними дисками диафрагм с сопловыми лопатками на ободе, заключающийся в пропуске пара через нее для вращения ротора, при этом на вогнутых поверхностях лопаток имеются отрывные зоны, возникающие при истечении пара, отличающийся тем, что имеющиеся на вогнутых поверхностях лопаток отрывные зоны заполняются паром извне, подводимым к ним по радиально направленным сквозным каналам в дисках и лопаткам от зон протечек пара помимо лопаток.