РАЗГРУЖЕННЫЙ РЕГУЛИРУЮЩИЙ КЛАПАН ПАРОВОЙ ТУРБИНЫ Российский патент 1998 года по МПК F01D17/14 

Изобретение относится к энергомашиностроению и может быть использовано при проектировании или модернизации органов парораспределения паровых турбин большой мощности.

Известна конструкция разгруженного регулирующего клапана паровой турбины, решающая задачу предотвращения передачи на шток крутящих усилий, возникающих от воздействия парового потока на чашу, путем применения стопорного средства для ее угловой фиксации [1]. Этот регулирующий клапан содержит паровую коробку с установленными в ней неподвижно диффузорным седлом и направляющим стаканом, а также буксу, проходящий через нее шток с радиальными выступами, входящими в прорези силовой диафрагмы направляющей гильзы чашки и образующими поворотно- осевое соединение этих элементов. Прорези на штоке, расположенные в радиальных выступах являются позиционирующей частью стопорного устройства. Другая его часть - фиксирующая выполнена в виде стопорных резьбовых винтов, проходящих через стенку направляющей гильзы в прорези штока.

Это устройство не применимо для турбин большой мощности в связи с тем, что при больших крутящих моментах, передаваемых от потока на чашку клапана стопорные винты будут испытывать соответственно большие изгибные и контактные напряжения. Это может привести к их разрушению или по мере износа к увеличению амплитуды крутильных колебаний штока, которые вызывают самопроизвольное рассоединение чашки со штоком или повреждение штока и узла крепления штока с сервомотором.

Известна также конструкция разгруженного регулирующего клапана, в которой решена задача повышения ремонтопригодности за счет устранения резьбового соединения чашки и штока, и задача повышения долговечности работы клапана путем ограничения амплитуды крутильных колебаний штока за счет использования продольно-торцевых выступов буксы-фиксатора [2]
Регулирующий клапан паровой турбины [2] содержит паровую коробку, установленные в ней неподвижно седло и направляющий стакан, который жестко закреплен на буксе-фиксаторе стопорного устройства с продольно-торцевыми выступами. Через нее проходит шток с головкой. Соосно с ним размещены чашка с гильзой, снабженной силовой диафрагмой, которые образуют разгрузочную камеру. На штоке выше головки выполнены радиальные выступы, находящиеся в разгрузочной камере и представляющие собой позиционирующую часть стопорного устройства. Они расположены конгруэнтно прорезям на силовой диафрагме и образуют с ними поворотно- осевое соединение, при этом продольно-торцевые выступы буксы-фиксатора проходят через прорези силовой диафрагмы и входят в прорези штока.

Однако такая конструкция не пригодна для клапанов турбин большой мощности. В этом случае чашки клапанов имеют большой посадочный диаметр, что для обеспечения требуемой надежности ведет к необходимости существенного увеличения радиальных размеров выступов на штоке. Такие конструктивные изменения привели бы к изменению соотношения масс системы шток-чашка и снизили бы вибрационную надежность клапана в целом.

Кроме того в процессе эксплуатации изнашиваются контактирующие поверхности продольно-торцевых выступов буксы-фиксатора, следствием чего является возрастание амплитуды крутильных колебаний чашки и штока, так как чашка выступами силовой диафрагмы находится в плотном контакте с выступами штока и передает свои колебания непосредственно на шток.

Таким образом выполнение позиционирующей части стопорного устройства непосредственно на штоке при его крутильных колебаниях приводит к существенному износу резьбового соединения узла крепления штока к сервомотору. Износ резьбы обуславливает появление дополнительно к крутильным продольных колебаний штока, следствием чего является повреждение или поломка самого штока и узла соединения его с сервомотором. Это в свою очередь снижает долговечность клапана.

Изобретение позволяет сохранить неизменной амплитуду крутильных колебаний штока при нарастании амплитуды крутильных колебаний чашки в процессе эксплуатации клапана и предотвратить возникновение резонансных и вынужденных колебаний системы чашка-шток, следствием чего является увеличение вибрационной надежности и долговечности работы клапана.

Это достигается тем, что в разгруженном регулирующем клапане паровой турбины, содержащем паровую коробку, установленные в ней неподвижно диффузорное седло и направляющий стакан жестко связанный с буксой-фиксатором стопорного устройства с продольно-торцевыми выступами, проходящий через нее шток с головкой и установленные соосно с ним чашка с гильзой снабженной силовой диафрагмой образующие разгрузочную камеру, в которой расположена позиционирующая часть стопорного устройства, выполненная с радиальными выступами конгруэнтными прорезям силовой диафрагмы и образующими с ними поворотно-осевое соединение, при этом продольно-торцевые выступы буксы-фиксатора проходят через прорези силовой диафрагмы и входят в прорези позиционирующей части стопорного устройства. Новым является то, что позиционирующая часть стопорного устройства выполнена в виде втулки, охватывающей с зазором шток, которая установлена с образованием осевого зазора размыкающего ее с силовой диафрагмой на внутренней торцевой поверхности кольцевой выточки разгрузочной камеры на высоте, соответствующей крайнему верхнему положению основания головки штока.

Изобретение значительно увеличивает вибрационную надежность и долговечность клапана.

При работе регулирующего клапана паровой турбины его чашка подвержена крутящим усилиям, создаваемым паровым потоком, особенно это воздействие усиливается в регулирующих клапанах разгруженного типа мощных паровых турбин. Эти клапаны имеют большой посадочный диаметр, работают на остром паре с давлением до 24 МПа, вследствие чего первостепенное значение приобретает решение задачи предотвращения передачи крутильных усилий от чашки на шток. Эта задача обычно решается, например [2] , посредством установки стопорного устройства, фиксирующего положение чашки и штока. Однако в процессе эксплуатации клапана изнашиваются контактирующие поверхности фиксирующей и позиционирующей частей этого устройства. Возрастает амплитуда крутильных колебаний чашки и штока по мере эксплуатации клапана. Это обусловлено тем, что чашка выступами силовой диафрагмы находится в плотном контакте с выступами штока.

Выполнение позиционирующей части стопорного устройства в виде втулки, охватывающей с зазором шток, позволяет вывести его из непосредственного контакта с чашкой. Поэтому при возрастании амплитуды крутильных колебаний чашки, амплитуда крутильных колебаний штока сохраняется неизменной. Это увеличивает долговечность работы штока и узла соединения штока с сервомотором.

Кроме того, благодаря расположению радиальных выступов на втулке, а не на штоке, увеличивается надежность фиксации чашки, так как торцевые поверхности выступов буксы-фиксатора максимально удалены от оси клапана, что существенно снижает величину крутящего момента, передаваемого от потока на их поверхности. Это увеличивает долговечность работы клапана.

При работе клапана шток находится под большим растягивающим усилием, передаваемым от парового потока через чашку, и образует вместе с ней упругую колебательную систему типа стержень с подвешенной на него массой. Установка позиционирующей части стопорного устройства, выполненного в виде втулки на внутренней торцевой поверхности кольцевой выточки разгрузочной камеры на высоте, соответствующей крайнему верхнему положению основания головки штока приводит к утяжелению чашки с гильзой, что увеличивает инерционные силы, препятствующие развитию колебаний. Установка же этой втулки с образованием осевого зазора, размыкающего ее с силовой диафрагмой, позволяет ввести в конструкцию ударный демпфер, предотвращающий развитие резонансных колебаний от пульсаций потока в клапанном канале. Все это повышает вибрационную надежность клапана.

На фиг. 1 - изображен разгруженный регулирующий клапан паровой турбины.

На фиг. 2 - разрез А-А на фиг. 1.

На фиг. 3 - зона выточки разгрузочной камеры.

Разгруженный регулирующий клапан паровой турбины содержит паровую коробку 1, установленное в ней неподвижно диффузорное седло 2, направляющий стакан 3 и верхнюю буксу 4. В направляющий стакан 3 жестко закреплена, например, запрессована букса-фиксатор 5 стопорного устройства, которая выполнена с продольно-торцевыми выступами 6. Верхняя букса 4 и букса-фиксатор 5 служат для направления и осевого перемещения проходящего через их центральные отверстия шток 7 с головкой 8. Соосно установленные штоку 7 чашка 9 с направляющей гильзой 10 могут быть выполнены за одно целое или отдельно и жестко соединены между собой. Внутри чашки 9 выполнено седло 11 разгрузочной части клапана, запорным органом которой является шаровая поверхность головки 8 штока 7. Для обеспечения подъема чашки 9 над диффузорным седлом 2, гильза 10 снабжена кольцевой силовой диафрагмой 12. Внутренние поверхности чашки 9, гильзы 10 и кольцевой силовой диафрагмы 12 образуют разгрузочную камеру 13. В этой камере расположена позиционирующая часть стопорного устройства, выполненная в виде втулки 14 с радиальными выступами 15, расположенными конгруэнтно прорезям 16 на кольцевой силовой диафрагме 12 и образующими с ней при повороте осевое соединение. При этой, продольно-торцевые выступы 6 буксы-фиксатора 5 проходят через прорези 16 кольцевой силовой диафрагмы 12 и входят в прорези, расположенные между радиальными выступами 15 втулки 14. Втулка 14 охватывает с зазором шток 7, чем обеспечивает его свободное перемещение в ее направляющем отверстии. Втулка 14 установлена с осевым зазором по отношению к силовой диафрагме 12 на внутренней торцевой поверхности выточки 17, расположенной в разгрузочной камере 13. Этот зазор необходим для силового размыкания системы чашка-шток в процессе ее колебания. Его величина зависит от хода разгрузочной части клапана и определяется верхним пределом допуска на величину хода. Торцевая поверхность выточки расположена на высоте h, соответствующей крайнему верхнему положению основания головки 8 штока 7. Высота выточки h определяется геометрическими размерами головки 8 штока 7 и заданной величиной хода разгрузки h разгр. Диаметр выточки 17 обеспечивает свободный проход рабочей среды к разгрузочной части клапана. В стенке гильзы 10, в зоне расположения разгрузочной камеры 13 выполнены окна 18 для организации дополнительного пропуска в нее рабочей среды. По мере подъема чашки 9 над диффузорным седлом 2 они совмещаются с окнами 19, выполненными в стенке направляющего стакана 3.

Клапан работает следующим образом.

В закрытом положении клапана рабочее тело из паровой коробки 1 через окна 19 в направляющем стакане 3 и кольцевую щель, образованную внутренней поверхностью стакана 3 и наружной поверхностью гильзы 10, поступает в разгрузочную камеру 13. При вертикальном перемещении штока 7 и соответственно его головки 8 открывается разгрузочная часть клапана, проточную полость за клапаном т.е. клапан разгружается. При этом процессе шток 7 основанием головки 8 опирается на нижнюю торцевую поверхность втулки 17, которая радиальными выступами 15 входит в плотный контакт с силовой диафрагмой 12 и по мере дальнейшего вертикального перемещения штока 7 начинается подъем чашки 9 над диффузорным седлом 2 и рабочее тело из входного патрубка (не указан на фиг.) попадает в кольцевой клапанный канал, образованный рабочей поверхностью чашки 9 и поверхностью седла 2, обеспечивая требуемый расход рабочей среды через клапан. В процессе подъема чашки 9 над диффузорным седлом 2 продольно-торцевые выступы 6 буксы-фиксатора 5 свободно перемещаются внутри разгрузочной камеры 13 между радиальными выступами 15 втулки 14. При дальнейшем увеличении подъема чашки 9 над седлом 2 происходит совмещение окон 18 гильзы 10 с окнами 19 стакана 3 и рабочее тело напрямую поступает в разгрузочную камеру 13. Это создает дополнительное усилие на чашку 9. Величина дополнительного усилия на чашку 9 зависит от высоты ее подъема над седлом 2, т.е. от площади открытия окон 18. Это дополнительное усилие передаваемое через втулку 14 на шток 7 и направленное вниз, т.е. в сторону диффузорного седла 2, за счет пропуска рабочей среды через окна 18 приводит к изменению характера зависимости усилия, действующего на шток 7 от высоты подъема чашки 9 над седлом 2. В итоге это повышает устойчивость работы клапана в зоне подъемов, где усилие, действующее на шток, меняет знак. В процессе обтекания потоком рабочей среды чашки 9 и прохождения диффузорного седла 2 на чашку клапана, помимо статических усилий воздействуют пульсации давления рабочей среды, которые вызывают вынужденные и резонансные колебания системы шток-чашка, при совпадении собственной частоты механических колебаний с частотой внешних возмущающих сил. Однако установка втулки 14 в разгрузочной полости 13 принципиально изменяет характер взаимодействия упругой системы шток-чашка с потоком рабочей среды. При этих условиях пока импульс усилия от потока воздействующий на чашку 9 не превосходит величины усилия создаваемого перепадом давления, чашка и шток, соединенные втулкой, представляют единую колебательную систему, в которой развиваются выкуренные или резонансные колебания с нарастанием амплитуды. При наличии втулки 14, которая устанавливается с осевым зазором по отношению к силовой диафрагме, нарастание амплитуды колебаний не происходит, т.к. в процессе возбуждения колебаний происходит силовое размыкание упругой системы шток-чашка. Все это существенно повышает вибрационную надежность клапана. В процессе работы описанного клапана на его чашку 9 воздействуют крутящие усилия, создаваемые потоком рабочей среды, но они полностью воспринимаются продольно-торцевыми выступами 6 буксы-фиксатора 5, которые находятся в контакте с радиальными плоскостями силовой диафрагмы 12 и не передаются на шток 7. В условиях длительной эксплуатации клапана износ контактирующих поверхностей продольно-торцевых выступов 6 буксы-фиксатора приводит к возрастанию крутильных колебаний чашки 9. Выполнение позиционирующей части стопорного устройства в виде втулки 14, охватывающей шток 7 с зазором, выводит его из непосредственного контакта с чашкой 9, поэтому амплитуда крутильных колебаний штока практически остается неизменной ввиду малой площади контакта его головки 8 со втулкой 14, что повышает долговечность работы клапана. Из изложенного следует, что конструкция разгруженного регулирующего клапана способна обеспечить высокую вибрационную надежность и долговечность при длительной эксплуатации и многократную разборку без повреждения разбираемых узлов, а также осуществлять профилактический контроль за состоянием штока, что приобретает особую ценность для турбин большой мощности.

Разгруженный регулирующий клапан предназначен для органов парораспределения паровых турбин большой мощности. Разгруженный регулирующий клапан паровой турбины содержит паровую коробку 1, установленные в ней неподвижно диффузорное седло 2 и направляющий стакан 3. Стакан 3 жестко связан с буксой-фиксатором 5 стопорного устройства с продольно-торцевыми выступами 6. Клапан содержит проходящий через буксу-фиксатор 5 шток 7 с головкой 8. Соосно с ним установлена чашка 9 с гильзой 10, снабженной силовой диафрагмой 12. Внутренние поверхности чашки 9 гильзы 10 и кольцевой силовой диафрагмой 12 образуют разгрузочную камеру 13. В этой камере расположена позиционирующая часть стопорного устройства, выполненная в виде втулки 14 с радиальными выступами 15, расположенными конгруэнтно прорезям 16 на кольцевой силовой диафрагме 12 и образующими с ней при повороте осевое соединение. При этом продольно-торцевые выступы 6 буксы-фиксатора 5 проходят через прорези 16 силовой диафрагмы 12 и входят в прорези позиционирующей части стопорного устройства. Втулка 14 охватывает с зазором шток 7. Втулка 14 установлена с осевым зазором по отношению к силовой диафрагме 12, размыкающим ее с силовой диафрагмой, на внутренней торцевой поверхности кольцевой выточки 17 разгрузочной камеры на высоте, соответствующей крайнему верхнему положению основания головки штока. Такое выполнение клапана позволит увеличить вибрационную надежность и долговечность работы клапана. 3 ил.

Разгруженный регулирующий клапан паровой турбины, содержащий паровую коробку, установленные в ней неподвижно диффузорное седло и направляющий стакан, жестко связанный с буксой-фиксатором стопорного устройства с продольно-торцевыми выступами, проходящий через нее шток с головкой, установленные соосно с ним чашка с гильзой, снабженной силовой диафрагмой, образующие разгрузочную камеру, в которой расположена позиционирующая часть стопорного устройства, выполненная с радиальными выступами, конгруэнтными прорезям силовой диафрагмы и образующими с ними поворотно-осевое соединение, при этом продольно-торцевые выступы буксы-фиксатора проходят через прорези силовой диафрагмы и входят в прорези позиционирующей части стопорного устройства, отличающийся тем, что позиционирующая часть стопорного устройства выполнена в виде втулки, охватывающей с зазором шток, которая установлена с образованием осевого зазора, размыкающего ее с силовой диафрагмой, на внутренней торцевой поверхности кольцевой выточки разгрузочной камеры на высоте, соответствующей крайнему верхнему положению основания головки штока.