ТУРБИННЫЙ ВАЛ, А ТАКЖЕ СПОСОБ ОХЛАЖДЕНИЯ ТУРБИННОГО ВАЛА Российский патент 2002 года по МПК F01D5/08 F01D25/12 

Изобретение относится к турбинному валу, который проходит вдоль главной оси и имеет внешнюю поверхность, а также к способу охлаждения турбинного вала.

Для повышения коэффициента полезного действия паровой турбины используют пар с высоким давлением и температурой, в частности так называемые сверхкритические состояния пара с температурой, например, свыше 550^oС. Использование пара с таким состоянием предъявляет повышенные требования к соответственно нагруженному турбинному валу паровой турбины.

В DE 3209506 A1 и в связанном с ним ЕР 0088944 В1 описан экран вала с вихревым охлаждением для области турбинного вала, на которую воздействует свежий пар непосредственно после входа в турбину. При вихревом охлаждении пар проходит через четыре тангенциальные отверстия в экране вала в направлении вращения турбинного вала в область между экраном вала и валом турбины. При этом пар расширяется, температура понижается и тем самым охлаждается турбинный вал. Экран вала соединен непроницаемо для пара с рядом направляющих лопаток. С помощью вихревого охлаждения можно достичь понижения температуры турбинного вала в окрестности экрана ротора, равного примерно 15 К. В экране вала для вихревого охлаждения установлены сопла, которые в направлении вращения входят тангенциально в кольцевой канал, образованный между турбинным валом и экраном вала.

В швейцарском патенте 259566 описан ротор для центробежной лопастной машины, ротор для газовых турбин, который составлен из разделенных поперек оси вращения нескольких отрезков и удерживается вместе по меньшей мере одним стяжным болтом, проходящим по меньшей мере через часть отрезков ротора. Ротор по меньшей мере в его наиболее горячих местах охлаждается потоком воздуха или газа.

В DE-OS 1551210 описан ротор для паровой турбины большой мощности, выполненный из дисков. Диски соединены друг с другом центральным стяжным болтом. Они имеют на прижатых друг к другу венцах несимметрично выполненные пилообразные зубья.

Задачей изобретения является создание турбинного вала, который можно охлаждать в области высокой тепловой нагрузки. Другой задачей изобретения является создание способа охлаждения установленного в турбине турбинного вала.

Задача, относящаяся к турбинному валу, который проходит вдоль главной оси и имеет внешнюю поверхность, решается тем, что турбинный вал имеет ряд расположенных вдоль главной оси аксиально друг за другом цилиндрических отрезков вала, которые вдоль общей соединительной оси имеют соответствующее соединительное отверстие, через которое проходит стяжной элемент. Между стяжным элементом и по меньшей мере одним отрезком вала образован осевой зазор, который гидравлически соединен с двумя расположенными в осевом направлении на расстоянии друг от друга радиальными каналами, в частности зазорами, которые выходят на внешнюю поверхность.

Таким образом, в таком турбинном вале создано гидравлическое соединение между внешней поверхностью турбинного вала и расположенным внутри его осевым зазором. За счет этого охлаждающая среда может входить внутрь турбинного вала и проходить через зазор в осевом направлении через турбинный вал, так что обеспечивается охлаждение турбинного вала в области осевого зазора. В паровой турбине охлаждающей средой является, предпочтительно, рабочая среда (технологический пар), которая за счет воздействия на соединенные с турбинным валом лопатки приводит во вращение турбинный вал. Радиальные каналы выходят на внешнюю поверхность турбинного вала, предпочтительно, в местах с различным уровнем давления, так что уже за счет перепада давлений автоматически образуется поток через турбинный вал. За счет геометрического расположения устья радиальных каналов на внешней поверхности можно согласовывать объемный поток охлаждающей среды, который ответвляется от рабочей среды с требуемой мощностью охлаждения. При этом ответвленная для охлаждения рабочая среда (технологический пар) не производит только на участке разницы уровня давлений между двумя радиальными каналами никакой механической работы для привода турбинного вала. При выходе из радиального канала с более низким уровнем давления обратно в поток рабочей среды использованная в качестве охлаждающей среды рабочая среда снова выполняет механическую работу и тем самым вносит свой вклад в коэффициент полезного действия паровой турбины.

Цилиндрические отрезки вала, называемые впоследствии также роторными дисками, имеют, предпочтительно, центральное соединительное отверстие, через которое проходят один соединительный элемент, стяжной болт. При этом соединительное отверстие имеет большее поперечное сечение, чем стяжной болт, так что образуется, предпочтительно, кольцевой осевой зазор между отрезком вала и стяжным болтом для прохода охлаждающей среды.

Принципиально также возможно предусмотреть несколько, в частности, три или более соединительных элементов (стяжных болтов). Соответствующая соединительная ось соединительных элементов проходит параллельно главной оси турбинного вала. Соответствующие соединительные оси расположены, предпочтительно, на окружности, средняя точка которой совпадает с главной осью.

Предпочтительно, образуют по меньшей мере один радиальный канал, в частности оба радиальных канала между двумя непосредственно примыкающими друг к другу отрезками вала. Это реализуют, например, тем, что в примыкающих друг к другу отрезках вала предусмотрены соответствующие углубления или выемки, канавки. Однако радиальный канал может быть реализован с помощью в основном радиального отверстия через отрезок вала от внешней поверхности до соединительного отверстия. Радиально в данном случае означает в основном перпендикулярно главной оси, однако включает в себя также любое соединение между внешней поверхностью и соединительным отверстием, которое по меньшей мере частично направлено в сторону главной оси.

Турбинный вал предусмотрен, предпочтительно, для двухпоточной турбины и в соответствии с этим имеет осевую среднюю область, на которую попадает рабочая среда непосредственно после входа в турбину и там разделяется на в основном равные частичные потоки. Осевая средняя область расположена, предпочтительно, между радиальными каналами. Средняя область, на которую воздействует рабочая среда с высокой температурой, имеет, предпочтительно, полость, через которую может проходить охлаждающая среда. Полость выполнена, предпочтительно, вращательно-симметрично относительно главной оси. Она закрыта экранирующим элементом, который для направления потока имеет вращательно-симметричное возвышение. Полость может быть гидравлически соединена с осевым зазором. Возможно также подводить охлаждающую среду через корпус турбины и через держатель, закрепляющий экранирующий элемент на корпусе.

Турбинный вал установлен, предпочтительно, в паровой турбине, в частности двухпоточной турбине средней мощности с разделением потока. За счет образованного в средней области пути потока, включающего оба расположенных в осевом направлении на расстоянии друг от друга радиальных канала и соединенный с ними гидравлически аксиальный канал, обеспечивается охлаждение средней области турбинного вала. В частности, выполняющая роль охлаждающей среды рабочая среда из одного частичного потока при более низком уровне давления попадает во второй частичный поток. За счет этого использованная как охлаждающая среда рабочая среда снова подается в общий паровой процесс и вносит тем самым свой вклад в коэффициент полезного действия всего процесса.

Задача, относящаяся к способу охлаждения турбинного вала, решается тем, что в турбинном вале с рядом расположенных вдоль главной оси аксиально друг за другом цилиндрических отрезков вала, которые стянуты друг с другом стяжным элементом, охлаждающую среду через первый радиальный канал вводят в осевой зазор между стяжным элементом и отрезком вала и выводят из турбинного вала через второй радиальный канал. За счет этого, как указывалось выше, возможно охлаждение турбинного вала изнутри в области, испытывающей высокие нагрузки при работе турбины. Тем самым такой турбинный вал пригоден для использования в паротурбинной установке с температурой пара на входе свыше 600^oС. Для реализации соответствующего охлаждающего действия в осевой зазор подводят объемный поток охлаждающей среды, который составляет 1-4%, в частности 1,5-3,0%, от всего объемного потока свежего пара.

Турбинный вал, а также способ поясняются с помощью чертежа, на котором показан продольный разрез части турбины с турбинным валом, а также часть продольного разреза двухпоточной турбины 10 средней мощности с разделением потока паротурбинной установки.

В корпусе 18 расположен турбинный вал 1. Турбинный вал 1 проходит вдоль главной оси 2 и имеет ряд расположенных в осевом направлении друг за другом отрезков 4а, 4b, 4с, 4d, 4e вала. Каждый отрезок 4а, 4b вала имеет вокруг главной оси 2 соответствующее соединительное отверстие 6. Соединительные отверстия 6 имеют одинаковое поперечное сечение и расположены центрально относительно друг друга и главной оси. Через соединительные отверстия 6 вдоль соединительной оси 5 проходит стяжной элемент 7, стяжной болт. В показанном примере выполнения соединительная ось 5 совпадает с главной осью 2. Принципиально возможно предусмотреть также несколько, в частности более трех стяжных элементов 7, которые проходят через соответствующие соединительные отверстия 6. Стяжной болт 7 воздействует на внешние не изображенные отрезки вала так, что происходит осевое стягивание отрезков 4а, 4b, 4c, 4d друг к другу. Для этого стяжной вал имеет, предпочтительно, не изображенную резьбу, с которой взаимодействует также не изображенная гайка. Для предотвращения перемещения смежных отрезков 4а, 4b вала по отношению друг к другу в окружном направлении они могут быть соединены без возможности поворота относительно друг друга с помощью торцевого зубчатого сцепления, в частности торцевого мелкозубного соединения (торцевых зубцов). Соединительные отверстия 6 имеют поперечное сечение, которое больше поперечного сечения стяжного болта 7, так что между соответствующим отрезком 4а вала и стяжным болтом 7 остается осевой зазор 8, в частности кольцевой зазор. Отрезки 4а, 4b и т.д. образуют внешнюю поверхность турбинного вала 1. В окрестности внешней поверхности 3 смежные отрезки 4а, 4d; 4а, 4b соединены друг с другом непроницаемо для среды с помощью соответствующей герметичной сварки 16. Две пары смежных отрезков 4d, 4е; 4b, 4c расположены, предпочтительно, рядом друг с другом так, что между ними остается соответствующий радиальный канал 9а, 9b.

Окружающий турбинный вал 1 корпус 18 имеет область 19 входа для свежего пара 12. В области 19 входа турбинный вал 1 имеет среднюю область 11, в которой выполнена полость 13. Эта полость 13, а также средняя область 11 турбинного вала 1 экранированы от непосредственного контакта с горячей, проходящей через область 19 входа рабочей среды 12 (свежего пара) экранирующим элементом 17. Экранирующий элемент 17 выполнен вращательно-симметричным относительно главной оси 2 и имеет возвышение, направленное от главной оси 2. Экранирующий элемент 17 служит для разделения рабочей среды 12 (свежего пара) на два приблизительно равных частичных потока. Экранирующий элемент 17 соединен с корпусом 18 через первый ряд 14 направляющих лопаток каждого частичного потока. С помощью не изображенных элементов подвода охлаждающей среды она проходит через корпус 18, первый ряд 14 направляющих лопаток и экранирующий элемент 17 в полость 13 и приводит там к охлаждению турбинного вала 1 в средней области 11. В полости 13 охлаждающая среда может нагреваться вследствие теплообмена с рабочей средой 12 и через не изображенные трубопроводы отвода среды может снова подаваться в паровой процесс.

В направлении потока рабочей среды 12 расположены, как обычно в паровой турбине, чередующиеся в осевом направлении ряды 15 рабочих лопаток, соединенные с турбинным валом 1, и ряды 14 направляющих лопаток, соединенные с корпусом 18. Охлаждение турбинного вала 1 также изнутри, в частности в средней области 11, достигается тем, что уже слегка разряженная рабочая среда 12 проходит через первый радиальный канал 9а в осевой зазор 8 между стяжным болтом 7 и отрезками 4d, 4a, 4b. Этот частичный поток рабочей среды 12 действует как охлаждающая среда 12b, которая сперва проходит навстречу направлению потока проходящего на чертеже влево частичного потока. Через второй радиальный зазор 9b охлаждающая среда 12b попадает в точке более низкого давления в направленный вправо частичный поток и поэтому снова производит работу на еще подлежащих прохождению рабочих лопатках 15. В показанной турбине 10 можно отводить охлаждающую среду 12b через первый радиальный канал 9а при давлении около 11 бар и температуре около 400 ^oС из направленного влево частичного потока и при уровне давления менее 11 бар снова отводить в направленный вправо поток. Возможно также, что для целей охлаждения осевой зазор 8 соединен гидравлически с полостью 13. В осевой зазор 8 подводят, предпочтительно, объемную долю в 1-4%, в частности 1,5-3,0%, от общего объема потока свежего пара, который приводит в действие турбинный вал.

Изобретение отличается турбинным валом, который имеет ряд расположенных друг за другом в осевом направлении и стянутых друг с другом отрезков вала, внутри которых предусмотрен проходящий в осевом направлении зазор. Этот зазор через два радиальных канала на двух различных уровнях давления соединен гидравлически с потоком рабочей среды, приводящей в действие турбинный вал. Радиальные каналы находятся, предпочтительно, там, где граничат друг с другом два отрезка вала. Уже вследствие различных уровней давления, на которых соответствующие радиальные зазоры выходят на внешнюю поверхность турбинного вала, от рабочей среды (свежего пара) ответвляется приводимый в движение разницей давлений поток охлаждающей среды. Ответвленный из потока свежего пара поток охлаждающего пара проходит через первый радиальный канал в проходящий в осевом направлении зазор и оттуда через второй радиальный канал снова в поток свежего пара. За счет этого изнутри охлаждается примыкающая к осевому зазору область турбинного вала, и использованная для охлаждения охлаждающая среда снова подводится в общий паровой процесс.

Турбинный вал паровой турбины, проходящий вдоль главной оси, содержит ряд расположенных вдоль главной оси аксиально друг за другом цилиндрических отрезков вала. Отрезки вала вдоль общей соединительной оси имеют отверстие, через которое проходит стяжной элемент. Между стяжным элементом и по меньшей мере одним отрезком вала образован осевой зазор и предусмотрены два разнесенных в осевом направлении радиальных канала, которые соединены гидравлически с осевым зазором и выходят на внешнюю поверхность. Осевой зазор через два радиальных канала на двух различных уровнях давления соединен гидравлически с потоком рабочей среды, приводящей в действие турбинный вал. Способ охлаждения турбинного вала заключается в том, что охлаждающий пар вводят через первый радиальный канал в осевой зазор между стяжным элементом и отрезком вала и выводят из турбинного вала через второй радиальный канал. Ответвленный из потока свежего пара поток охлаждающего пара проходит через первый радиальный канал в проходящий в осевом направлении зазор и оттуда через второй радиальный канал снова в поток свежего пара. Изобретения повышают эффективность охлаждения. 2 с. и 7 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Турбинный вал (1) паровой турбины (10), который проходит вдоль главной оси (2) и имеет внешнюю поверхность (3) и который содержит ряд расположенных вдоль главной оси (2) аксиально друг за другом цилиндрических отрезков (4а, 4b, 4c, 4d, 4e) вала, отличающийся тем, что эти отрезки вдоль общей соединительной оси (5) имеют соответствующее отверстие (6), через которое проходит стяжной элемент (7), причем между стяжным элементом (7) и по меньшей мере одним отрезком (4а, 4b, 4c) вала образован осевой зазор (8), а также предусмотрены два разнесенных в осевом направлении радиальных канала (9а, 9b), которые соединены гидравлически с осевым зазором (8) и выходят на внешнюю поверхность (3), причем осевой зазор через два радиальных канала на двух различных уровнях давления соединен гидравлически с потоком рабочей среды, приводящей в действие турбинный вал. 2. Турбинный вал (1) по п. 1, отличающийся тем, что стяжной элемент (7) является стяжным болтом, для которого совпадают главная ось (2) и соединительная ось (5). 3. Турбинный вал (1) по п. 1, отличающийся тем, что в нем предусмотрены по меньшей мере три соединительных элемента, соответствующая соединительная ось (5) которых направлена параллельно главной оси (2). 4. Турбинный вал (1) по любому из пп. 1-3, отличающийся тем, что в нем предусмотрен по меньшей мере один радиальный канал (9а, 9b) между двумя смежными отрезками (4b, 4c; 4d, 4e) вала. 5. Турбинный вал (1) по любому из пп. 1-4, отличающийся тем, что вал установлен в двухпоточной турбине (10), в частности двухпоточной турбине средней мощности с разделением потока, с осевой средней областью (11) для входа и разделения потока рабочей среды (12), которая в осевом направлении расположена между радиальными каналами (9а, 9b). 6. Турбинный вал (1) по п. 5, отличающийся тем, что в средней области (11) предусмотрена полость (13), через которую может проходить поток охлаждающей среды (12b). 7. Турбинный вал (1) по п. 6, отличающийся тем, что полость (13) соединена гидравлически с осевым зазором (8). 8. Способ охлаждения турбинного вала (1) паровой турбины (10), содержащего ряд расположенных вдоль главной оси (2) аксиально друг за другом цилиндрических отрезков (4а, 4b, 4c, 4d, 4e) вала, отличающийся тем, что эти отрезки стянуты друг с другом стяжным элементом (7), причем охлаждающий пар (12b) вводят через первый радиальный канал (9а) в осевой зазор (8) между стяжным элементом (7) и отрезком (4а) вала и выводят из турбинного вала (1) через второй радиальный канал (9b), причем ответвленный из потока свежего пара поток охлаждающего пара проходит через первый радиальный канал в проходящий в осевом направлении зазор и оттуда через второй радиальный канал снова в поток свежего пара. 9. Способ по п. 8, отличающийся тем, что в осевой зазор (8) подводят объемный поток пара, составляющий 1-4%, в частности 1,5-3,0% от всего объемного потока свежего пара.