ПАРОВАЯ ТУРБИНА Российский патент 1998 года по МПК F01D25/16 

Изобретение относится к паровой турбине с расположенным в корпусе по меньшей мере частью своей длины валом, который на стороне высокого давления или на противоположной ей стороне отработавшего пара корпуса пропущен через этот корпус, и с по меньшей мере одним установочным клапаном для установки поступающего в корпус парового потока, как согласно US 4,393,658.

При работе паровой турбины обычно используются масляногидравалические устройства, как, например, радиальные и осевые подшипники, с масляной смазкой, а также приводимые гидравлическим маслом установочные клапаны с соответствующим регулирующим устройством. Также так называемые клапаны автоматического затвора в качестве быстродействующей главной запорной арматуры и предусмотренное для вращения ротора турбины устройство вращения приводятся в действие гидравлическим маслом. Применение масла в паровой турбине, конечно, принципиально заключает в себе опасность пожара. Проведенные ранее испытания с негорючими или трудно горючими жидкостями не привели до сих пор к удовлетворительному результату.

В основе изобретения лежит задача такого дальнейшего развития паровой турбины названного выше вида, чтобы при избежании недостатков уровня техники была возможна безаварийная эксплуатация.

Эта задача решается согласно изобретения за счет свободной от масла установки вала посредством расположенных внутри корпуса на стороне высокого давления или на противоположной ей стороне отработавшего пара магнитных подшипников, а также за счет свободной от масла эксплуатации установочных клапанов посредством по меньшей мере одного электромагнитного исполнительного привода.

Расположенный на стороне высокого давления внутри корпуса магнитный подшипник охватывает предпочтительным образом радиальный подшипник и осевой подшипник. Кроме того, на стороне высокого давления предусмотрен захватный подшипник, который предпочтительным образом расположен между радиальным подшипником и осевым подшипником. Магнитный подшипник и захватный подшипник целесообразным образом прифланцованы на корпусе турбины и плотно закрыты относительно пара крышкой, так что на стороне высокого давления нет никакого соединения лежащего внутри корпуса парового пространства с внешним пространством. Для случая, когда вал для приведения в действие рабочей машины, например, компрессора или генератора, пропущен на стороне высокого давления через корпус, на стороне отработавшего пара предусмотрена крышка. Однако вал целесообразно пропущен через корпус на стороне отработавшего пара.

На стороне высокого давления в случае паровой турбины типа избыточного давления часто в качестве уплотнения предусмотрен уравнительный поршень для уравнивания тяги с так называемым лабиринтным уплотнением. Магнитный подшипник и захватный подшипник тогда расположены целесообразным образом между паровым пространством и этим уплотнением, то есть при рассмотрении со стороны отработавшего пара перед этим уплотнением. За счет этого расположения достигается особенно малый зазор подшипника между магнитным подшипником на стороне высокого давления и им же на стороне отработавшего пара с тем преимуществом, что колебательно-техническая характеристика вала приближается еще больше к идеальному случаю "жесткого вала". С другой стороны, при сохранении обычного зазора подшипника внутри корпуса, то есть в паровом пространстве турбины, освобождается пространство для дополнительных рядов лопаток. За счет этого достигается особенно высокий коэффициент полезного действия паровой турбины.

Для случая, когда вал пропущен через корпус турбины на стороне отработавшего пара, между предусмотренным там ротором и корпусом турбины необходимо уплотнение. Для установки вала на стороне отработавшего пара тогда целесообразно предусмотрены радиальный магнитный подшипник и следующий захватный подшипник, которые также лежат внутри корпуса. Уплотнение может быть расположено в направлении потока пара перед, между или - для уменьшения зазора подшипника - после этих обоих подшипников. Возможно также предусматривать осевой магнитный подшипник на стороне отработавшего пара корпуса и на стороне пара перед ним располагать захватный подшипник и радиальный магнитный подшипник.

Электромагнитный исполнительный привод, которым могут совместно через подвижную балку приводиться в действие установочные клапаны для регулирования поступающего в корпус свежего пара, заменяет обычно ранее используемый исполнительный гидравлический цилиндр. За счет этого возможно располагать исполнительный привод предпочтительно внутри корпуса. Кроме того, гидравлический преобразователь может быть заменен электронным силовым блоком, причем через корпус должны проводиться только электрические провода. Может быть также предусмотрено соответствующее количеству установочных клапанов количество электромагнитных исполнительных приводов.

В качестве исполнительных приводов целесообразным образом используются электромагнитные линейные приводы. При этом каждому установочному клапану может быть придан электромагнит со стальным ярмом и катушкой, а также связанный с шатуном, линейно перемещаемый магнитный якорь. Подвижное коромысло, через которое одновременно приводятся в действие все исполнительные элементы, тогда не требуется.

Примеры выполнения изобретений поясняются более подробно с помощью чертежей, на которых показано:
Фиг. 1 показывает в поперечном сечении свободную от масла паровую турбину с магнитными подшипниками и электромагнитным исполнительным приводом; фиг. 2 и 3 - другие формы выполнения электромагнитного исполнительного привода.

Соответствующие друг другу части снабжены на всех фигурах одинаковыми ссылочными позициями.

Показанная на фиг. 1 паровая турбина 1 содержит ротор турбины 2, установленный с возможностью вращения на валу 3, и неподвижный корпус турбины 4. Вал 3 установлен на двух радиальных магнитных подшипниках 6 и 8, причем магнитный подшипник 6 расположен на стороне высокого давления 10, а магнитный подшипник 8 на стороне отработавшего пара 12 паровой турбины 1. В случае паровой турбины 1 согласно фиг. 1 вал 3 пропущен через корпус турбины 4 на стороне отработавшего пара 12. В принципе вал 3 может быть также пропущен через корпус турбины 4 на стороне высокого давления 10.

Расположенный в примере выполнения на стороне высокого давления 10 магнитный осевой подшипник 14 удерживает ротор турбины 2 через вал 3 в осевом направлении и воспринимает созданные паром силы тяги. Магнитный осевой подшипник 14 может однако быть расположен также на стороне отработавшего пара 12.

На стороне высокого давления 10, кроме того, предусмотрен захватный подшипник 14, который в примере выполнения расположен между магнитными подшипниками 6 и 14. Следующий захватный подшипник 18 расположен на стороне отработавшего пара 12 в направлении потока пара после радиального магнитного подшипника 8. При выходе из строя магнитных подшипников 6 и 8 вал 3 может двигаться до остановки в этих захватных подшипниках 16 и 18.

Доступный в настоящее время материал катушек для магнитных подшипников рассчитан для температур примерно до 400^oC. Однако в паровой камере паровой турбины 1 могут иметь место температуры до 540^oC. Поэтому может быть необходимым охлаждать магнитные подшипники 6, 8 и 14, а также захватные подшипники 16 и 18. Для этого может браться вода из пароводяного контура паровой турбины 1. Дополнительные агрегаты, как например, насосы или охладители тогда не требуются. Охлаждение может также отпадать, если применяется материал катушек, рассчитанный на такие высокие температуры. Высокая температурная стойкость может быть достигнута, например, путем керамической изоляции проводов катушек.

Сторона высокого давления 10, то есть передняя сторона корпуса подшипника плотно закрыта относительно пара расположенной на корпусе 4 крышкой 23, так что там не имеет места связь с внешним пространством. Расположенный в примере выполнения на стороне высокого давления 10 уравнительный поршень 20 с лабиринтным уплотнением 22 является необходимым только в случае турбины избыточного давления.

Предусмотренное на стороне отработавшего пара 12 бесконтактное уплотнение вала или уплотнение 24, которое может быть расположено в направлении потока пара как спереди, сзади, так и между подшипниками 8 и 18, конечно является необходимым в любом случае, поскольку в этом месте выхода вал 3 пропущен через корпус 4.

Корпус 4 таким образом полностью охватывает ротор турбины 2 и вал 3 на части его длины. Далее он охватывает магнитные подшипники 6, 8, 14, захватные подшипники 16, 18 и уплотнения 22, 24. Сопловая коробка 26 для свежего пара является частью корпуса 4. По меньшей мере, один электромагнитный исполнительный привод 28 для множества установочных клапанов 30, из которых виден только один, также расположен внутри корпуса 4.

Электромагнитный исполнительный провод 28 содержит стальное ярмо 32 и катушку 34, а также связанный с шатуном 36 подвижный магнитный якорь 38 и неподвижный ферромагнитный сердечник 40. Шатун 36 действует на подвижное вентильное коромысло 42. С помощью коромысла 42 одновременно могут приводиться в действие множество расположенных друг за другом перпендикулярно относительно плоскости чертежа установочных клапанов 30. Предусмотренная под неподвижным стальным ярмом 32 винтовая пружина закрывает установочные клапаны 30, причем действующая во время эксплуатации паровой турбины 1 на установочные клапаны 30 сила давления пара действует также в направлении запирания. Оказываемая электромагнитным исполнительным приводом 28 сила для открывания установочных клапанов 30 соответствует поэтому, по меньшей мере, сумме из пружинной силы механической пружины 44 и действующей на установочные клапана 30 силы давления пара.

Установочные клапаны 30 могут приводиться в действие через единственный электромагнитный исполнительный привод 28, который воздействует на коромысло клапана 42. Альтернативно они могут также приводиться в действие через множество электромагнитных исполнительных приводов 28, причем тогда каждому от дельному установочному клапану 30 придан один электромагнитный исполнительный привод 28. Другие возможные формы выполнения представлены на фиг. 2 и 3.

Согласно фиг. 2 исполнительный привод 28 расположен рядом с сопловой коробкой 26. Здесь подвижный магнитный якорь 38 соединен не непосредственно, а через рычаг 50 с шатуном 36, который опять-таки несет установочный клапан 30. Рычаг 50, кроме того, подвижно закреплен на неподвижной относительно корпуса несущей части 52.

Установочные клапаны 30 в представленном на фиг. 1 и 2 устройстве открываются за счет электромагнитной силы исполнительного привода 28. Исполнительный привод 28 может также быть расположен с обратным направлением силы на установочные клапаны 30, так что электромагнитная сила исполнительного привода 28 закрывает установочные клапаны 30. Это может быть, например, целесообразным в случае автоматического затвора. Пружина 44 должна при этом выполнении оказывать незначительную силу в направлении закрывания установочных клапанов 30.

Непосредственная передача движения магнитного якоря 38 на шатун 36 для закрывания установочных клапанов 30 может происходить в устройстве, при котором шатун 36 проходит через отверстие в ферромагнитном сердечнике 40 и перемещается магнитным якорем 38 в направлении запирания установочных клапанов 30. При этом устройстве позиции магнитного якоря 38 и имеющего отверстие ферромагнитного сердечника 40 взаимно заменены местами.

Представленный на фиг. 3 исполнительный привод 28, также расположенный рядом с сопловой коробкой 26, содержит катушку 60, которая является линейно подвижной в основном постоянном во времени магнитном поле. Движение катушки 60 передается посредством рычага 50 на установочный клапан 30. Названное магнитное поле создается постоянным магнитом 62, электромагнитом 64 с катушкой 68 или комбинацией из постоянного магнита 62 и электромагнита 64 с катушкой 68 путем наложения обеих созданных магнитных полей. Соединенный с ферромагнитным сердечком 66 постоянный магнит 62, магнитные полюсы которого обозначены N и S, окружен внутри стального ярма 67 катушкой 68. Воздействующая на катушку 60 электромагнитная сила Лоренца в основном пропорциональна току через катушку 60 и не зависит от ее положения в магнитном поле.

Постоянный магнит 62 может быть также заменен магнитомягким ферромагнитным сердечником. Если катушки 60 и 68 эксплуатируются в последовательной схеме с одним и тем же током, то сила на подвижную катушку 60 пропорциональна квадрату этого тока.

При эксплуатации паровой турбины 1 согласно фиг. 1 свежий пар попадет через сопловую коробку 26 и установочные клапаны 30 в окруженное корпусом 4 паровое пространство и поступает через сопла 69 на рабочее колесо 70. Оттуда пар течет через отдельные ступени, которые соответственно выполнены из множества неподвижных направляющих лопаток 72 и множества закрепленных на роторе 2 и вращающихся вместе с ним рабочих лопаток 74. Турбинные лопатки 72 и 74 от ступени к ступени выполнены больше и длиннее, так как совершающий работу пар расширяется и при этом увеличивает свой объем. Расширенный пар протекает через выпускной патрубок отработавшего пара 76 и используется вначале или как технологический пар, или непосредственно подводится к включенному после паровой турбины (не показанному) конденсатору.

Установочные клапаны 30 служат для установки интенсивности поступающего в корпус 4 потока свежего пара, причем их ход клапана управляется через ток катушек в приданном установочному клапану 30 исполнительном приводе 28. Изменение этого тока предпочтительно вызывается электронным управлением. Необходимые для этого провода подведены не показанным более подробно образом через корпус 4 к исполнительному приводу 28. Для эксплуатации установочных клапанов 30 предусмотрено предпочтительно пропорционально-интегрально-дифференциальное регулирование, при котором ход клапана и скорость его изменения представляют собой величины, на которые воздействует регулирование.

При применении клапана автоматического затвора, который обычно используется в качестве быстродействующего запорного органа, вместо масляной гидравлики для напряжения пружины экстренного затвора он приводится в действие электромагнитом или электродвигателем. Освобождение происходит электромеханически, причем пружина служит для демпфирующего захвата клапана перед седлом клапана. Далее электродвигатель берет на себя функцию упомянутого вначале масляногидравлического устройства вращения.

Подобная свободная от масла паровая турбина и приводимый ею в действие, также снабженный магнитными подшипниками компрессор могут приводиться в действие свободно от масла как комплектное рабочее место или станочная линия. Коэффициент полезного действия такой станочной линии вследствие незначительных потерь на трение и небольшого потребления энергия магнитных подшипников является особенно высоким. С помощью применения магнитных подшипников 6, 8, 14 могут также особенно выгодным образом компенсироваться колебания вала 3. Эти преимущества получаются, в частности, также тогда, когда генератор турбогенератора дополнительно снабжен магнитными подшипниками и непосредственно приводится в действие свободной от масла паровой турбиной. Опасность пожара тем самым практически исключена.

Паровая турбина предназначена для преобразования тепловой энергии пара в механическую. Паровая турбина содержит расположенный по меньшей мере частью своей длины в корпусе (4) вал (3), который пропущен через этот корпус (4), причем корпус (4) имеет сторону высокого давления (10) и противоположную ей сторону отработавшего пара (12), и установочный клапан (30) для регулировки поступающего в корпус (4) парового потока. В турбине предусмотрена свободная, от масла установка вала (3) посредством расположенных внутри корпуса (4) на стороне высокого давления (10) и на стороне отработавшего пара (12) магнитных подшипников (6,8,14), а также свободная от масла эксплуатация установочного клапана (30) посредством по меньшей мере одного электромагнитного исполнительного привода (28). Такое выполнение паровой турбины позволит обеспечить ее безаварийную эксплуатацию. 7 з.п.ф-лы, 3 ил.

1. Паровая турбина с расположенным по меньшей мере частью своей длины в корпусе (4) валом (3), который на стороне высокого давления (10) или на противоположной ей стороне отработавшего пара (12) корпуса (4) пропущен через этот корпус, и с по меньшей мере одним установочным клапаном (30) для регулирования поступающего в корпус (4) парового потока, отличающаяся свободной от масла установкой вала посредством расположенных внутри корпуса (4) на стороне высокого давления (10) и на стороне отработавшего пара (12) магнитных подшипников, а также свободной от масла эксплуатацией установочных клапанов (30) посредством по меньшей мере одного электромагнитного исполнительного привода (28). 2. Турбина по п.1, отличающаяся тем, что магнитный подшипник на стороне высокого давления (10) содержит радиальный подшипник (6) и осевой подшипник (14). 3. Турбина по п.2, отличающаяся тем, что кроме радиального (6) и осевого (14) подшипников предусмотрен расположенный предпочтительно между ними захватный подшипник (16). 4. Турбина по одному из пп.1 - 3, отличающаяся тем, что сторона высокого давления (10) или сторона отработавшего пара (12) плотно закрыта относительно пара крышкой (23). 5. Турбина по одному из пп.1 - 4, отличающаяся тем, что на стороне высокого давления (10) корпуса (4) предусмотрено уплотнение (22), причем радиальный и осевой магнитный подшипник расположен перед этим уплотнением (22), если смотреть со стороны отработавшего пара (12). 6. Турбина по одному из пп.1 - 5, отличающаяся тем, что на стороне отработавшего пара (12) внутри корпуса (4) предусмотрен следующий захватный подшипник (18), причем предусмотренное на стороне отработавшего пара (12) следующее уплотнение (24) расположено в направлении потока пара перед или между, предпочтительно сзади, магнитного подшипника (8) и захватного подшипника (18). 7. Турбина по одному из пп.1 - 6, отличающаяся тем, что электромагнитный исполнительный привод (28) также расположен внутри корпуса (4). 8. Турбина по одному из пп.1 - 7, отличающаяся тем, что электромагнитный исполнительный привод (28) содержит стальное ярмо (32) и катушку (34), а также связанный с шатуном (36) магнитный якорь (38).