ПАРОВАЯ ТУРБИНА Российский патент 2002 года по МПК F01D1/16 

Изобретение относится к паровой турбине с валом турбины, направленным вдоль оси турбины, причем вдоль вала турбины предусмотрено множество ступеней турбины, охватывающих соответственно структуру направляющих лопаток и аксиально расположенную после нее систему рабочих лопаток.

Известные паровые турбины подразделяются на активные турбины (называемые также турбинами постоянного давления), а также реактивные турбины (называемые также турбинами избыточного давления). Они содержат вал турбины с расположенными на нем рабочими лопатками, а также внутренний корпус с направляющими лопатками, расположенными между аксиально разнесенными рабочими лопатками.

В случае турбины постоянного давления в суженных направляющими лопатками каналах весь перепад энергии в основном преобразуется в кинетическую энергию потока. При этом скорость возрастает и давление падает. В рабочих лопатках давление и относительная скорость остаются в значительной мере постоянными, что достигается за счет каналов с остающимся постоянным внутренним диаметром. Так как направление относительной скорости изменяется, возникают активные силы, которые приводят в действие рабочие лопатки и тем самым вызывают вращение вала турбины. Величина абсолютной скорости значительно уменьшается при обтекании рабочих лопаток, за счет чего поток отдает большую часть своей кинетической энергии рабочим лопаткам и таким образом валу турбины.

В случае турбины избыточного давления при обтекании направляющих лопаток в кинетическую энергию преобразуется только часть перепада энергии. Остаток обуславливает повышение относительной скорости внутри каналов рабочих лопаток, образованных между рабочими лопатками. В то время как в турбине постоянного давления силы на лопатках являются почти исключительно активными силами, в турбине избыточного давления сюда добавляется более или менее большая составляющая из изменения величины скорости. Из разности давления между стороной рабочих лопаток, лежащей по течению и против течения, происходит понятие турбины избыточного давления. В турбине избыточного давления, следовательно, имеет место изменение величины скорости при переменном давлении.

В качестве изентропической степени реакции r в случае термической машины для превращения кинетической энергии потока в механическую обозначают процентное распределение изентропического перепада энтальпии в рабочих лопатках к общему изентропическому перепаду энтальпии на ступени, состоящей из венца направляющих лопаток и венца рабочих лопаток. В качестве чисто ступени постоянного давления обозначают такую ступень, в которой степень реакции r=0 и возникает наибольший перепад энтальпии. В классической ступени избыточного давления степень реакции r= 0,5, так что перепад энтальпии в направляющих лопатках является таким же большим, как и в рабочих лопатках. Под сильной реакцией понимают, например, степень реакции r=0,75. На практике паротурбиностроения применяют преимущественно классические ступени избыточного давления, а также ступени постоянного давления. Последние, однако, как правило, со степенью реакции r, несколько отличающейся от нуля.

Далее применяются также понятия турбина камерного типа конструкции и турбина барабанного типа конструкции. Обычно турбина постоянного давления выполнена в виде турбины камерного типа конструкции, а турбина избыточного давления выполнена в виде барабанного типа конструкции. Турбина камерного типа конструкции содержит корпус, который разделен на множество камер за счет промежуточных днищ, расположенных между собой аксиально с зазором. В каждой из этих камер работает имеющее форму диска рабочее колесо, на внешнем периметре которого расположены рабочие лопатки, в то время как направляющие лопатки вставлены в промежуточные днища. Преимущество камерного типа конструкции заключается в том, что промежуточные днища на их внутреннем крае могут довольно эффективно уплотняться посредством лабиринтных уплотнений относительно вала турбины. Так как диаметр уплотнения является малым, поперечные сечения зазора и тем самым токи утечки в зазоре будут также малы. Этот тип конструкции используется в известных турбинах только при малых степенях реакции, то есть при большом перепаде на ступень и тем самым при малом числе ступеней. Разница давлений на обеих сторонах диска рабочего колеса при малой степени реакции является малой, в граничном случае даже равной нулю. Оказываемое на ротор аксиальное усилие остается малым и может восприниматься аксиальным подшипником.

В случае турбины барабанного типа конструкции рабочие лопатки расположены непосредственно на периметре вала турбины, имеющего форму барабана. Направляющие лопатки вставлены или непосредственно в корпус паровой турбины или в специальный держатель направляющих лопаток. Рабочие или, соответственно, направляющие лопатки могут быть снабжены также бандажными лентами, на которых размещены лабиринтные уплотнения так, что происходит уплотнение уплотняющего зазора между направляющими или, соответственно, рабочими лопатками и валом турбины или, соответственно, внутренним корпусом. Так как эти уплотняющие зазоры по меньшей мере в случае рабочих лопаток расположены на больших радиусах, токи утечки в зазоре в любом случае являются значительно большими, чем в случае турбин камерного типа конструкции. Вследствие высокой степени реакции, порядка r=0,5, получаются выгодные пути потока в каналах лопаток и тем самым хорошие коэффициенты полезного действия. Аксиальная конструктивная длина и расходы на отдельную ступень являются меньше, чем в случае турбины камерного типа конструкции, однако число ступеней должно быть больше, поскольку реакционные ступени обрабатывают меньший перепад. Появляющееся в облопачивании аксиальное усилие является значительным. Возможность противодействовать этому аксиальному усилию заключается в предусматривании уравнивающего поршня, на переднюю сторону которого через соединительный трубопровод подают давление выходного патрубка.

В акцептованной заявке DE-AS 2054465 описана паровая турбина барабанного типа конструкции. В горшкоообразном внешнем корпусе расположен вал турбины, несущий рабочие лопатки, а также внутренний корпус, окружающий вал турбины. Внутренний корпус несет направляющие лопатки. Через соответствующие места опоры и центровки внутренний корпус соединен с внешним корпусом для приема аксиального усилия.

В патенте DE-PS 312856 описана паровая турбина избыточного давления с высокой степенью реакции, причем множество групп ступеней расположены в одном корпусе. В различных ступенях турбины достигаются различные степени реакции, которые имеют степень значительно выше 0,5 в начале и значительно ниже 0,5 в конце группы. Расположенные с аксиальным зазором друг от друга ступени имеют соответственно различную степень реакции. Множество ступеней турбины при этом объединены в частичные группы, причем множество частичных групп образуют группу лопаток избыточного давления. В первой группе лопаток избыточного давления степень реакции в каждой частичной группе в направлении к выпуску пара увеличивается, однако средняя степень реакции частичных групп в направлении к выпуску пара уменьшается. Во второй группе лопаток избыточного давления, приданной в соответствие выпуску пара, степень реакции в направлении к выпуску пара в каждой частичной группе уменьшается. Средняя степень реакции имеет локальный максимум.

В патенте DE-PS 880307 указана паровая турбина избыточного давления, которая выполнена в виде конструкции барабанного типа. Паровая турбина выполнена таким образом, что вплоть до последней ступени степень реакции предыдущих ступеней непрерывно увеличивается в направлении к области отработавшего пара и лежит заметно выше 0,5. Только в последней ступени степень реакции падает до значения ниже 0,5.

В патенте US-PS 1622805 описана система гидродинамически соединенных друг с другом частичных турбин. За счет этого должна достигаться более высокая степень свободы в конструкции паровых турбин. Представленные формы выполнения показывают паровую турбину высокого давления в виде конструкции камерного типа в области самого высокого давления пара. В том же самом корпусе при самом низком давлении пара примыкает область частичной турбины, которая выполнена в виде конструкции барабанного типа и имеет реактивную ступень. Последующая часть низкого давления выполнена при этом двухпоточной.

Задачей изобретения является указание паровой турбины с хорошим коэффициентом полезного действия.

Согласно изобретению эта задача решается за счет паровой турбины с валом турбины, направленным вдоль оси турбины, причем вдоль вала турбины предусмотрено множество ступеней турбины, охватывающих соответственно структуру направляющих лопаток и аксиально расположенную после нее систему рабочих лопаток, причем по меньшей мере с двумя ступенями турбины является достижимой отличная друг от друга средняя степень реакции и степень реакции больше, чем в половине ступеней турбины, лежит ниже 0,5. Альтернативно или дополнительно степень реакции на впуске пара лежит между 0,2 и 0,4, в частности между 0,25 и 0,35, а на выпуске пара - между 0,4 и 0,6, в частности между 0,45 и 0,55. Средняя степень реакции (средняя реакция ступени) обозначает соотношение перепада энтальпии, преобразованного в системе рабочих лопаток ступени турбины, к общему перепаду энтальпии, преобразованному в ступени турбины.

За счет варьируемого расчета степени реакции в зависимости от области применения паровой турбины может достигаться высокий коэффициент полезного действия. Степень реакции варьируется в паровой турбине, через которую горячий пар втекает во впуск пара и после аксиального обтекания вытекает из выпуска пара, между впуском пара и выпуском пара. Степень реакции варьируется предпочтительно от ступени турбины к ступени турбины так, что с учетом давления пара, температуры пара, массового потока пара для каждой ступени турбины в связи с особенно высоким коэффициентом полезного действия благоприятная степень реакции может определяться уже при конструировании паровой турбины. Средняя степень реакции в случае паровой турбины, в частности частичной турбины в виде конструкции барабанного типа, варьируется по меньшей мере областями между 5% и 70%, в частности между 10% и 50%, предпочтительно ниже 45%. При этом в зависимости от области применения она может возрастать от ступени турбины к ступени турбины, понижаться или иметь локальный экстремум (максимум и/или минимум). Предпочтительно локальный максимум выражен незначительно, то есть он отклоняется на 0,1 от значения степени реакции на впуске пара или выпуске пара. Ход степени реакции является предпочтительно монотонно падающим или монотонно возрастающим. Предпочтительно степень реакции (разница между двумя ступенями турбины) варьируется на 0,1, в частности больше, чем на 0,2. В случае паровой турбины, в частности частичной турбины в виде конструкции камерного типа, средняя степень реакции лежит предпочтительно между 5% и 35%, в частности ниже 20%.

Ступени турбины, в частности в случае частичной турбины среднего давления, объединены в группы ступеней, причем по меньшей мере степень реакции ступени турбины первой группы ступеней является отличной от степени реакции ступени турбины второй группы ступеней. Группы ступеней можно предусматривать также в частичной турбине высокого давления.

В случае частичной турбины высокого давления в виде конструкции барабанного типа гидродинамически подключенная после нее частичная турбина среднего давления выполнена в виде конструкции камерного типа или предпочтительно в виде конструкции барабанного типа. Частичная турбина высокого давления и частичная турбина среднего давления могут быть расположены, соответственно, каждая в отдельном внешнем корпусе или в одном общем внешнем корпусе (компактная турбина). Можно также выполнять частичную турбину среднего давления в виде конструкции барабанного типа, а включенную перед ней частичную турбину высокого давления в виде конструкции камерного типа. Частичная турбина высокого давления в виде конструкции барабанного типа может быть расположена в горшкообразном внешнем корпусе. Внешний корпус частичной турбины высокого давления может также быть выполнен в виде двух аксиально разделенных половин.

За счет средней реакции ступени турбины между 10% и 50%, предпочтительно ниже 45%, при обтекании паром возникает меньшее аксиальное усилие, чем в ступени избыточного давления со средней степенью реакции 50% и выше. За счет этого можно предусматривать меньший выравнивающий усилие поршень, за счет чего потери пара утечки поршня уменьшаются, а общий коэффициент полезного действия паровой турбины повышается.

Степень реакции между ступенями турбины, следующими друг за другом в направлении потока, таким образом может выполняться переменной. Степень реакции от ступени турбины к ступени турбины может принимать различное значение, в частности постоянно уменьшаться или возрастать в направлении потока. В зависимости от области применения паровой турбины (давления пара, температуры пара, массового потока, а также электрической и тепловой мощности) за счет предварительного определения средней степени реакции каждой ступени турбины может изготавливаться паровая турбина с особенно хорошим коэффициентом полезного действия в требуемой области применения.

Само собой разумеется, что как частичная турбина высокого давления, так также и частичная турбина среднего давления может быть выполнена в виде конструкции барабанного типа и ступень турбины или множество ступеней турбины, если даже не все ступени турбины могут быть выполнены со средней степенью реакции ниже 50%, в частности ниже 45%.

С помощью примеров выполнения, представленных на чертежах, конструкция паровой турбины описывается более подробно. В схематичном представлении чертежи показывают.

Фиг. 1 - продольное сечение однокорпусной паровой турбины с частичной турбиной высокого давления в виде конструкции камерного типа и с частичной турбиной среднего давления в виде конструкции барабанного типа.

Фиг. 2 - паровую турбину в продольном сечении с частичной турбиной высокого давления и с частичной турбиной среднего давления, расположенными в разделенных друг от друга внешних корпусах.

Фиг.3 - ход степени реакции на множестве ступеней турбины.

Фиг. 1 показывает паровую турбину 1 с единственным внешним корпусом 4. Через внешний корпус проходит вал турбины 6, направленный вдоль оси турбины 15. Этот вал турбины 6 в непредставленных более подробно проходах соответственно уплотнен относительно внешнего корпуса 4 уплотнениями вала 9. Внутри корпуса 4 расположена частичная турбина высокого давления 2 в виде конструкции камерного типа. Она содержит облопачивание высокого давления, содержащее соединенные с валом турбины 6 системы рабочих лопаток 11 и схематически представленные структуры направляющих лопаток 12, соединенные с внутренним корпусом высокого давления 14.

Внутри внутреннего корпуса 14 далее расположена частичная турбина среднего давления 3 в виде конструкции барабанного типа с системами рабочих лопаток 11 и структурами направляющих лопаток 12, которые опять-таки для наглядности представлены схематически. Вал турбины 6 содержит на одном конце муфту 10 для вала для соединения с непредставленным генератором или непредставленной частичной турбиной низкого давления.

Аксиально между облопачиванием высокого давления и облопачиванием среднего давления выполнена область 13 (промежуточное днище) вала турбины 6, которая уплотнена по отношению к внутреннему корпусу 14 соответствующим уплотнением вала 9.

В направлении частичной турбины среднего давления 3 вал турбины 6 содержит в промежуточном днище 13 углубление 13а, которым образованы торцевые поверхности на промежуточном днище 13. Промежуточное днище 13 гидродинамически соединено с областью впуска 7b частичной турбины среднего давления 3 с впуском пара 7а частичной турбины высокого давления 2.

Втекающий во впуск пара 7а свежий пар, например, с давлением порядка 170 бар и температурой 560^oС протекает в аксиальном направлении через облопачивание частичной турбины высокого давления 2 и вытекает при более низком давлении из выпуска пара 8а частичной турбины высокого давления 2. Оттуда теперь частично расширенный пар попадает в непредставленный промежуточный перегреватель и снова подводится к паровой турбине 1 через впуск пара 7b частичной турбины среднего давления 3. Промежуточно перегретый, втекающий во впуск пара 7b и аксиально протекающий через частичную турбину среднего давления 3 пар покидает ее через выпуск пара 8b.

Образованные структурой направляющих лопаток 12 и системой рабочих лопаток 11, расположенной после нее в направлении потока, ступени турбины 17а, 17b, 17с разделены на три группы ступеней 18а, 18b, 18с. Предпочтительно средняя степень реакции ступеней турбины 17а является больше, чем степень реакции ступеней турбины 17b, которая в свою очередь больше, чем степень реакции ступеней турбины 17с. Степень реакции в зависимости от предусмотренной области применения паровой турбины может также уменьшаться или попеременно увеличиваться и уменьшаться. Также возможно, что степень реакции ступеней турбины 17а, 17b, 17с соответствующей группы ступеней 18а, 18b, 18с варьируется, в частности, в направлении выпуска пара 8b от ступени турбины к ступени турбины.

Для приема аксиального усилия частичной турбины среднего давления 3, выполненной в виде барабанного типа конструкции, предусмотрен уравнивающий усилие поршень 5, который через напорный трубопровод 16 соединен с выпуском пара 8b частичной турбины среднего давления 3. Этот уравнивающий усилие поршень 5 расположен на стороне выпуска пара относительно частичной турбины высокого давления 2 так, что она расположена аксиально между уравнивающим усилие поршнем 5 и промежуточным днищем 13, то есть частичной турбиной среднего давления 3. После паровой турбины 1 аналогично форме выполнения согласно фиг.1 может быть подключена частичная турбина низкого давления.

Фиг. 2 показывает паровую турбину 1 с частичной турбиной высокого давления 2 с внешним корпусом 4а и расположенную аксиально с зазором от нее частичную турбину среднего давления 3 с внешним корпусом 4b. Частичная турбина среднего давления 3 выполнена двухпоточной. Проходящий через внешний корпус 4а вал турбины 6а частичной турбины высокого давления 2 соединен через муфту 10 для вала с проходящим через внешний корпус 4b частичной турбины среднего давления 3 вал турбины 6b. На валу турбины 6b расположена следующая муфта 10 для вала для подсоединения к непредставленному генератору или непредставленной частичной турбине низкого давления. Частичная турбина высокого давления выполнена в виде конструкции барабанного типа и частичная турбина среднего давления выполнена в виде конструкции камерного типа.

Аксиально между впуском пара 7а и корпусом 4а расположено промежуточное днище, выполненное в виде уравнивающего усилие поршня 5. Последний гидродинамически соединен на стороне корпуса с выпуском пара 8а так, что разница давления между впуском пара 7а и выпуском пара 8а в основном соответствует падению давления в аксиальном направлении через уравнивающий усилие поршень 5. Относительно конструктивных и функциональных признаков частичной турбины высокого давления 2, а также частичной турбины среднего давления 3 следует сослаться на описание к фиг.1.

В частичной турбине высокого давления 2 структуры направляющих лопаток 12 расположены в аксиально проходимом внутреннем корпусе 14 без разделения на группы ступеней. Степень реакции ступени турбины 17а является больше, чем степень реакции расположенной дальше в направлении потока ступени турбины 17b. Поток пара направлен при этом от впуска пара 7а аксиально в направлении к выпуску пара 8а.

На фиг.3 с помощью четырех кривых 20а, 20b, 20с и 20d показан в качестве примера ход степени реакции r на множестве (здесь 14) включенных в направлении потока ступеней турбины. Ступень турбины 1 придана в соответствие области впуска пара 7 а, 7b, и ступень турбины 14 - выпуску пара 8а, 8b. Согласно кривой 20с степень реакции r, исходя из значения 0,65 ступени турбины 1, монотонно спадает к степени реакции r=0,25 ступени турбины 14. Ход степени реакции r согласно кривой 20а начинается в ступени турбины 1 значением 0,1 и непрерывно увеличивается для подключенных далее в направлении потока ступеней турбины до значения порядка 0,55. Для другой области применения паровой турбины ход степени реакции r представлен кривой 20b. Степень реакции r для ступени турбины 1 имеет значение 0,5, непрерывно падает к ступени турбины 9, там имеет минимальное значение порядка 0,25, снова непрерывно возрастает к ступени турбины 12 до значения порядка 0,3 и падает к ступени турбины 14 до значения 0,275. Четвертая кривая 20d лежит в монотонно возрастающей полосе средней степени реакции. Полоса имеет ширину между впуском пара 7а, 7b и выпуском пара 8а, 8b порядка величины 0,2. Полоса составляет на ступени турбины 1 величину примерно между 0,2 и 0,4 и на ступени турбины 14 - между примерно 0,4 и 0,6.

Изобретение характеризуется паровой турбиной, которая имеет степень реакции для ступени турбины между 5% и 75%. Предпочтительно средняя степень реакции в направлении потока следующих друг за другом ступеней турбины между впуском пара 7а, 7b и выпуском пара 8а, 8b проходит в основном монотонно. В зависимости от области применения паровой турбины она может увеличиваться, уменьшаться или чередоваться.

Изобретение относится к паровой турбине с валом, направленным вдоль оси турбины. Вдоль вала турбины предусмотрено множество ступеней турбины, охватывающих соответственно структуру направляющих лопаток и аксиально расположенную после нее систему рабочих лопаток. Достижимая в ступени турбины средняя степень реакции (r) составляет 5 - 70%. Степень реакции по меньшей мере двух ступеней турбины имеет различное значение. Такое выполнение паровой турбины позволит осуществить ее с хорошим коэффициентом полезного действия. 11 з.п.ф-лы, 3 ил.

1. Паровая турбина с валом турбины, направленным вдоль оси турбины, с впуском пара и выпуском пара, причем вдоль вала турбины предусмотрено множество ступеней турбины, охватывающих соответственно структуру направляющих лопаток и аксиально расположенную после нее систему рабочих лопаток, отличающаяся тем, что более чем для половины ступеней турбины достижимой является средняя степень реакции ниже 0,5, которая является различной по меньшей мере для двух ступеней турбины. 2. Паровая турбина по п. 1, отличающаяся тем, что степень реакции изменяется между 0,05 и 0,7. 3. Паровая турбина по п. 1 или 2, отличающаяся тем, что степень реакции на впуске пара составляет величину между 0,2 и 0,4, а на выпуске пара между 0,4 и 0,6. 4. Паровая турбина по любому из предыдущих пунктов, отличающаяся тем, что степень реакции между впуском пара и выпуском пара имеет локальный экстремум (максимум или минимум). 5. Паровая турбина по п. 4, отличающаяся тем, что степень реакции лежит между 0,1 и 0,5. 6. Паровая турбина по любому из предыдущих пунктов, отличающаяся тем, что она выполнена в виде конструкции барабанного типа и степень ее реакции имеет величину между 0,1 и 0,65. 7. Паровая турбина по любому из предыдущих пунктов, отличающаяся тем, что соответственно две или больше ступеней турбины объединены в соответствующую группу ступеней, и по меньшей мере ступени турбины первой группы ступеней имеют другую степень реакции, чем ступени турбины второй группы ступеней. 8. Паровая турбина по любому из предыдущих пунктов, отличающаяся тем, что она содержит частичную турбину высокого давления, которая выполнена в виде конструкции барабанного типа. 9. Паровая турбина по любому из пп. 1-7, отличающаяся тем, что она содержит частичную турбину среднего давления, которая выполнена в виде конструкции барабанного типа. 10. Паровая турбина по пп. 8 и 9, отличающаяся тем, что она имеет внешний корпус, в котором расположены частичная турбина высокого давления и частичная турбина среднего давления. 11. Паровая турбина по пп. 8 и 9, отличающаяся тем, что частичная турбина высокого давления имеет горшкообразный внешний корпус, а частичная турбина среднего давления имеет внешний корпус, расположенный от него с аксиальным зазором. 12. Паровая турбина по любому из пп. 9-11, отличающаяся тем, что частичная турбина среднего давления выполнена двухпоточной.