РЕГУЛИРУЮЩАЯ ПОВОРОТНАЯ ДИАФРАГМА С ПРИВОДОМ Российский патент 2003 года по МПК F01D25/24 

Изобретение относится к теплоэнергетическому машиностроению, в частности к турбостроению.

Регулирующая поворотная диафрагма с приводом паровой турбины устанавливается в проточной части и предназначена для регулирования давления пара в камерах производственного или теплофикационного отборов.

Поворотная диафрагма состоит из внутренней неподвижной диафрагмы, которая включает в себя сопловую коробку, и наружного поворотного кольца (поворотной диафрагмы) удерживаемого прижимным кольцом. Поворотное кольцо опирается и лежит своей расточкой на проточке неподвижной диафрагмы.

В зависимости от подвода пара и ряда конструктивных соображений применяются два типа регулирующих диафрагм: аксиальные и радиальные [4, стр.37-39].

Привод диафрагменных подвижных колец чаще всего осуществляется от гидравлических сервомоторов через рычажные передачи, однако имеются турбины типа ПР-6-35/10М завода "Красный гидропресс" с ручным механическим приводом [7].

Известны конструктивные данные поворотных диафрагм с приводом турбин мощностью 25-100 МВт, выпускаемых ОАО ТМЗ, приведенные в таблице 5.1 [1, стр.182-188].

Поворотные диафрагмы части низкого давления, применяемые ОАО ЛМЗ, показаны на рис.3-16 и с передаточным механизмом на рис.3-17 [2, стр.176-180].

Известна поворотная диафрагма с приводом от сервомоторов и рычагов с обеих сторон цилиндра, у которой односторонний привод заменен парой сил.

Турбины ПТ-25-90/10 М ОАО КТЗ имеют поворотные диафрагмы парораспределения ЧСД с приводом, изображенным на рис.6.19 [3, стр.129-131; 6, стр.37-38, 357].

Данный тип привода исключает пожаробезопасность. За прототип принимаются поворотные диафрагмы ОАО ТМЗ, ОАО ЛМЗ, ОАО КТЗ, т.к. они все одинаковой конструкции.

Недостатками приведенных объектов являются
пожароопасность,
наличие до пяти маслопроводов к одному сервомотору,
сложная конструкция привода диафрагмы и сервомотора,
дефект конструкции привода в кинематике, где серьга и рычаг не способны направлять усилия на поворотное кольцо диафрагмы по касательной,
ассиметричное расположение привода с одной стороны цилиндра, иногда для двух сервомоторов, что не конструктивно для нижней части цилиндра,
эксцентричность оси поворотной диафрагмы (кольца) к оси диафрагмы, сложность изготовления узлов, их ремонта и обслуживания в эксплуатации, исключение замыкания люфтов в шарнирных соединениях, наличие сальникового уплотнения.

Наиболее близкий аналог изобретения поворотной диафрагмы с приводом был выполнен на турбине ОАО КТЗ ПТ-25-90/10 М [3, стр.129-131; 6, стр.37-38, 357].

Именно на одной из ТЭЦ Свердловской области была проведена модернизация привода поворотной диафрагмы турбины ОАО КТЗ ПТ-25-90/10М в связи с реконструкцией турбины на противодавленческую ПР-25-90/10М.

Установленная поворотная диафрагма с приводом состоит из неподвижной диафрагмы 13 (фиг.2), которая включает в себя сопловую коробку 14, поворотного кольца 11 с прижимающим его к диафрагме прижимным кольцом 12.

Привод поворотного кольца 11 осуществляется от блока регулирования 16 (фиг. 1) двумя сервомоторами 1, поршни 17 которых соединены тягами 2 (фиг.3) через шаровые сочленения 15 (фиг.4) с двухплечными рычагами 3 и 6.

Рычаги между собой соединяются через шаровые сочленения тягами 5 и устанавливаются на кронштейны 4 и 7. Свободные концы рычагов 6 соединяются тягами 8 со штоками 9, прицепленными к серьгам 10 осевыми соединениями 18 в верхней части, а в нижней части к поворотному кольцу 11.

Как видно на фиг.2, в цилиндре турбины выполнено сверление Е, аналогично существующему правому рычажному приводу смонтирован левый, для чего используется система - отсечной золотник с увеличенным сечением окон, сервомотор ЧСД с обратной связью и дополнительно подключенным соединением полостей над и под поршнями сервомотором ЧНД. Фиг.4. Одновременно радиальная, разгруженная диафрагма была заменена на аксиальную при существующих сервоприводах, рассчитанных на радиальные диафрагмы. Установлены патрубки 24 для буксы штока 9 и сцепления осевого соединения 18.

Таким образом, диафрагма управляется парой сил с двух противоположных сторон. Статические и динамические испытания показали полное отсутствие заеданий диафрагмы и легкость ее управления при маломощных сервомоторах.

Частичная реконструкция, проведенная в сжатые сроки и с наименьшими затратами, обеспечила возможность включить отбор, а динамические испытания показали полное соответствие регулирования требованиям руководящих указаний и Правил технической эксплуатации.

При проведении реконструкции решен вопрос пожароопасности и эстетики. По сложности проблемы, а именно обеспечения синхронности работы системы отсечной золотник - два гидроцилиндра, увеличения мощности привода с необходимым запасом без увеличения мощности насоса в динамике, обеспечения быстродействия системы регулирования при сбросе нагрузки, предложенная работа представляет рациональное решение технической задачи.

Несмотря на частичный случай, работа не имела подобных аналогов в приводах и несет в себе элемент новизны. Модернизация проведена при консультации и по согласованию с Калужским турбинным заводом.

Недостатком данного привода является повышение нечувствительности регулирования по причине увеличения в эксплуатации люфтов, не имеющих замыкания.

Казалось бы, проблема с приводом в системе пары сил, заключающаяся в кинематике, где серьга и рычаг с одной точки приложения к кольцу не способны направлять усилия по касательной, но работающих на растяжку и сжатие рычагов, решена.

Однако само расположение поворотного кольца, лежащего своей расточкой в диаметре "Д" на проточке неподвижной диафрагмы, ограниченного в аксиальных и радиальных зазорах, составляет существенный недостаток конструкции всех вышеперечисленных объектов.

Противодействие приводу поворотного кольца создается от веса поворотной диафрагмы (кольца), трения в верхней точке от постоянного соприкосновения, исключения концентричности, заклинивания в момент приложения силы, направления усилия не на вытяжку рычагов при выводе из состояния покоя кольца.

При идеальной, расчетной разгрузке кольцо должно преодолевать силы трения в направляющих поясках штоков и только при плоскопараллельном аксиальном зазоре "Р" между кольцом 11 и прижимающими полукольцами 12.

В действительности лежащее произвольно в нескольких точках и точках приложения сил кольцо имеет переменные противоусилия.

С целью решения задачи противодействия достаточно приводу совершенно исключить усилие для преодоления собственного веса поворотной диафрагмы, произвольно разлагающееся при движении кольца внутри диафрагмы и разгрузочных, покрывающих полуколец.

Изобретением решается задача устройства поворотной диафрагмы с приводом, характеризующегося высокой эксплуатационной надежностью при простоте его изготовления и эксплуатации, сводящие на нет все вышеперечисленные недостатки приведенных аналогов и главный из недостатков - трение поворотного кольца о диафрагму.

Поставленная задача достигается тем, что в поворотной диафрагме с приводом, состоящей из неподвижной внутренней диафрагмы и наружного поворотного кольца, подвешенного с двух сторон за серьги, шток и подвижные тяги к коромыслу, закрепленному на крышке цилиндра турбины, ось поворотного кольца устанавливается концентрично оси диафрагмы, образуя кольцевой зазор на диаметре проточки диафрагмы и расточки кольца, исключающий трение, а для поворота кольца на рычаге-коромысле необходимо минимальное усилие.

Изобретение поясняется на примере выполнения фиг.5-7.

Поворотное кольцо 11 регулирующей диафрагмы за серьги 10 (фиг.6) с осевыми соединениями 18 (фиг.7) присоединяются штоками 9 с шаровыми сочленениями 15 к тягам 8, которые крепятся в шаровых сочленениях коромысла-рычага 19, жестко закрепленного осевым роликом 25 к кронштейну 21 со стульчиком 22, установленному на крышке цилиндра турбины 23. Правая верхняя тяга 8 соединяется с рычагом 6 (фиг.5, 6, 7, вид В-В).

Таким образом, диафрагма подвешивается с двух сторон за серьги, шток и подвижные тяги к коромыслу, закрепленному на крышке цилиндра турбины.

С помощью подвижных шарниров тяг 8 ось поворотного кольца устанавливается концентрично оси диафрагмы, образуя кольцевой зазор на диаметре "Д" между поворотным кольцом и диафрагмой.

Коромысло при помощи двух тяг держит кольцо и придает ему парой сил вращательное движение (фиг.6).

Поскольку ось поворотного кольца становится концентрично оси неподвижной диафрагмы при строго теоретически конструктивной разгрузке, поворотное кольцо должно приводиться в движение усилием, равным вывести его из состояния покоя или равномерного движения.

Это усилие будет минимальным при существующих конструкциях разгрузки и зависит только от трения в направляющих штоках и уплотняющих поясках поворотного кольца и диафрагмы.

Перечень фигур с указанием на то, что изображено на каждой из них.

Фиг.1
Вид сверху на привод регулирующей диафрагмы турбины типа ПР-25-90/10М после проведенной реконструкции турбины на противодавленческую. Левый сервомотор 1 блока 16, предназначенный для поворотного кольца диафрагмы ЧНД, подключен к поворотному кольцу диафрагмы ЧСД (см. А-А фиг.2).

Фиг.2
В цилиндре выполнено сверление "Е".

Аналогично правому патрубку 24 выполнен левый с лючком и установкой серьги 10 через сцепления осевого соединения 18 вверху к штоку, внизу к симметричному уху поворотного кольца 30.

Фиг.3
Вид В-В показан для пояснения запаса на дозакрытие поршня 17 и упора штока 9.

Фиг.4
На фиг.4 показано взаимное положение поршней 17 сервомоторов существующего привода.

Фиг.5.

Вид сверху на предложенный привод, в котором сняты рычаги левого сервомотора. Рычаг 6 развернут (см. В-В фиг.7).

Фиг.6
В разрезе А-А показан установленный кронштейн 21 со стульчиком 22, к которому крепится рычаг-коромысло 19 через ролик 25, а шарнирными сочленениями 15 и тягами 8 к штокам 9. Верхний правой тягой рычаг-коромысло приводится в движение.

Фиг.7.

Показан переход передачи от развернутого рычага 6 через две тяги 8 к штоку 9 поворотного кольца 11 с серьгой 10.

Фиг.8.

Вид сверху для осуществления привода при отсутствии рычажной передачи от блока регулирования 16 с разрезом Г-Г фиг.9.

Фиг.9.

Предложенная фигура полезной модели определяет приложение усилия к тяге 8 с точкой приложения силы "F".

Выставить строго концентрично поворотное кольцо удобно при помощи подвижных шарниров тяг 8 на прогретой турбине с точностью до десятых миллиметра, причем люфты будут выбраны, т.к. вся кинематическая система замкнута постоянно от веса кольца.

Есть возможность определить заедания и изменение аксиального зазора "Р", коробления кольца во взвешенном состоянии. Имея одну опорную точку в рычаге-коромысле, кольцо поворачивается при ходе "У" (фиг.6) с минимальными усилиями от точки приложения силы "F" (фиг.9).

По Владимиру Далю в данном случае коромысло-рычаг, который лежит на опорной точке и ходит вверх или вниз на перевес [5, стр.429].

Сняв проблему усилия привода, доведя его до минимального, можно говорить о типе привода. Привод, удаленный от цилиндра, показан на фиг.8, 9, в котором тепловые расширения цилиндра и подвижность рычага-коромысла компенсируются различными конструктивными приемами в оси 26 рычага 29, как и расчетная рабочая высота кронштейна 27 от опоры 28.

Широко встает вопрос о средствах выбора регулирования хода "У" поворотного кольца в виде гидравлического, механического, электрического привода. Как пример, возможна модернизация ручного механического привода радиальной регулирующей диафрагмы турбины ПР-6-35/10М завода "Красный гидропресс" [7].

В испытываемой турбине ПР-25-90-10М ОАО КТЗ не требовалось вскрытие цилиндра.

Имея идеальную расчетную разгрузку, изложенный выше привод, можно иметь точную степень неравномерности регулирования отбора по любым параметрам, заданным заказчиком с минимальной нечувствительностью от любой системы управления, что определяет высокую экономичность и надежность турбоустановки по сравнению с существующими.

Предложенный привод регулирующей поворотной диафрагмы конструктивно переходит в орган защиты турбины от разгона при сбросах нагрузки для тех турбоустановок, на которых установлено по одному обратному клапану на отборе, и опыт эксплуатации подтверждает этот факт.

Привод гарантирует четкое полное закрытие прохода пара при сбросе нагрузки и недозакрытии обратного клапана.

Все полумеры против пожаробезопасности сервомоторов с вибрирующими маслоприводами опровергаются практикой эксплуатации и горением маслосистемы турбоустановок как и десятки удачных тушений пожаров.

Именно данный привод позволит решить проблему электропривода для поворотных диафрагм с любым задатчиком, так остро стоящую десятки лет для наладчиков, проектировщиков, эксплуатационников данного направления и признания (фиг.8, 9).

Снижение коэффициента трения штоков, предотвращения заклинивания кольца, повышение надежности регулирования, упрощение и снижение стоимости привода, симметричное цельное литье нижней половины цилиндра, компенсируемое наличием сверлений в верхней крышке двух отверстий с последующей установкой двух патрубков 24 под буксы уплотнений штоков, исключение сальников для турбин с боковой установкой сервомоторов к цилиндру - вот перечень конструктивных преимуществ полезной модели.

Изобретение исключает люфты замыканием на растяжение от собственного веса при любом движении поворотного кольца, снимается проблема прогиба рычагов, сокращается нечувствительность за счет существующих на порядок больших от расчетных люфтов и приведения времени исполнения команды к нулю - вот примерный перечень технических результатов и эффектов предложенной изобретения.

Изобретение значительно упростит проектирование привода поворотной диафрагмы турбин, упростит все его элементы.

Не представляет сложности и реконструкция привода существующего парка паровых турбин, находящихся в эксплуатации, причем реконструкция будет нести в себе самые рациональные решения.

В любом случае изобретение несет в себе перспективность исключения ряда проблем, четкого решения задач обычным логичным конструированием при рабочем проектировании.

Источники информации
1. Бенесон Е.И., Иоффе Л.С. Теплофикационные паровые турбины. М.: Энергия, 1976, стр.182-188.

2. Веллер В.Н. Автоматическое регулирование паровых турбин. М.: Энергия, 1977, стр.176-180.

3. Паровые турбины малой мощности КТЗ. М.: Энергоатомиздат, 1987, стр. 129-131.

4. Энергомашиностроение, 1979, 3, стр.37-39.

5. В. Даль. Толковый словарь живого великорусского языка. Т. 2. М.: Терра-книжный клуб, 1998.

6. Паровая турбина ПР-25-90-10-М 103-М-118. Тяжпромэкспорт, стр.37, 38, 357.

7. Чертеж привода поворотной диаграммы СКО завода "Красный гидропресс" 112-Б-094.

Регулирующая поворотная диафрагма с приводом предназначена для паровых турбин. Регулирующая диафрагма аксиального либо радиального типа с приводом состоит из неподвижной диафрагмы и поворотного наружного кольца, приводящегося в движение от сервомоторов через рычаги с одной или с двух сторон. Все известные приводы поворотного кольца имеют видимые недостатки: пожароопасность при закреплении сервомоторов к корпусу цилиндра, сложная конструкция привода и сервомотора, наличие трения поворотного кольца в месте расточки о проточку неподвижной диафрагмы в верхней точке прилегания. Приводу необходимо преодолевать усилие по трению и подъем определенной части веса кольца при повороте. Изобретением решается задача исключения конструктивных недостатков логическими решениями после соответствующей установки поворотного кольца. Кольцо за серьги, шток и подвижные тяги с шаровыми сочленениями подвешивается к коромыслу, закрепленному осью в кронштейне, установленном на цилиндре турбины. Ось кольца устанавливается концентрично оси диафрагмы, образуя кольцевой зазор на диаметре между кольцом и диафрагмой. Кольцо на весу поворачивается с минимальными усилиями от точки приложения с любым выбранным приводом. 9 ил.

Поворотная диафрагма с приводом, состоящая из неподвижной внутренней диафрагмы и наружного поворотного кольца, подвешенного с двух сторон за серьги, шток и подвижные тяги к коромыслу, закрепленному на крышке цилиндра турбины, отличающаяся тем, что ось поворотного кольца устанавливается концентрично оси диафрагмы, образуя кольцевой зазор на диаметре проточки диафрагмы и расточки кольца, исключающий трение, а для поворота кольца на рычаге-коромысле необходимо минимальное усилие.