УСТРОЙСТВО СОПЛОВОГО ПАРОРАСПРЕДЕЛЕНИЯ ЦИЛИНДРА ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ ПАРОВОЙ ТУРБИНЫ Российский патент 2003 года по МПК F01D17/14 

Изобретение относится к области турбостроения и может быть использовано для подвода пара в регулирующую ступень цилиндра высокого давления (ЦВД) паровой турбины с сопловым парораспределением.

Известно устройство соплового парораспределения для подвода пара в регулирующую ступень турбины, содержащее регулирующие клапаны (р.к.), открывающиеся последовательно, при этом коробка каждого р.к. сообщена с одним самостоятельным сопловым сегментом (т.е. сопловой решеткой сопловой коробки), сегменты размещены по окружности паровпуска в последовательности, совпадающей с порядком открытия регулирующих клапанов (1). Недостатком этого устройства при эксплуатации турбины является не центрально симметричный относительно продольный оси ротора подвод пара к рабочим лопаткам регулирующей ступени ротора на различных режимах эксплуатации турбины. Это вызывает на различных режимах с нагрузкой, отличной от номинальной, возникновение поперечной силы, изгибающей ротор ЦВД в плоскости действия указанной силы, что требует увеличенных радиальных зазоров в проточной части ЦВД, понижающих экономичность турбины при ее эксплуатации. Кроме того, указанные не центрально симметричные силы относительно продольной оси ротора путем воздействия на рабочие лопатки регулирующей ступени создают также осевое усилие, которое изгибает ротор в другой плоскости. Указанный последний изгиб ротора требует дополнительного увеличения радиальных зазоров в проточной части ЦВД и вызывает дополнительное понижение экономичности турбины при ее эксплуатации. Следует также отметить, что указанные не центрально симметричные силы относительно продольной оси ротора ЦВД, действующие на рабочие лопатки регулирующей ступени, являются также причиной увеличения вибрации роторов и подшипников турбины на различных режимах эксплуатации турбины, что является фактором понижения надежности работы турбины.

Известно традиционное устройство соплового парораспределения ЦВД паровой турбины, выбранное за прототип, имеющее четыре односедельных разгруженных регулирующих клапана ЦВД, коробка каждого из которых сообщена с одной соответствующей сопловой коробкой и размещенной в ней сопловой решеткой, при этом, в отличие от первого рассмотренного устройства, сопловые коробки от первого и второго в порядке их открытия регулирующих клапанов размещены относительно друг друга диаметрально противоположно, при этом сопла противолежащих сопловых решеток несимметричны между собой относительно центра, лежащего на оси ротора ЦВД турбины (2).

Недостатком этого устройства парораспределения ЦВД при эксплуатации турбины является так же, как и в рассмотренном выше случае, не центрально симметричный относительно продольной оси ротора ЦВД на различных режимах эксплуатации турбины. Это, как отмечалось выше, вызывает возникновение поперечной силы на режимах с частичной нагрузкой и прогиб ротора в плоскости этой силы, а также возникновение осевого усилия и прогиб ротора в плоскости его действия, что требует увеличения радиальных зазоров в проточной части ЦВД. В результате понижается экономичность турбины при ее эксплуатации. Наличие не центрально симметричных сил в этой конструкции, как и в первом рассмотренном устройстве, вызывает увеличение вибрации ротора ЦВД на частичных режимах эксплуатации турбины, что понижает надежность ее работы.

Преимуществом прототипа относительно первого описанного устройства является то, что диаметрально противоположное расположение сопловых коробок от первого и второго р.к. ЦВД при открытии второго р.к. клапана с небольшим интервалом после первого р.к. позволяет несколько уменьшить величины поперечной и осевой сил, изгибающих ротор ЦВД, в результате чего уменьшается прогиб ЦВД в плоскостях действия этих сил, что повышает надежность работы турбины (3).

Однако обрыв штока одного из указанных р.к. при эксплуатации турбины может ликвидировать указанные преимущества, привести к радиальным задеваниям в проточной части ЦВД, что понижает надежность работы турбины и может привести к остаточному прогибу РВД.

Техническим эффектом изобретения является обеспечение на всех режимах эксплуатации турбины, включая режим работы с оборванными штоками р.к. ЦВД центрально симметричного относительно продольной оси ротора ЦВД подвода пара к рабочим лопаткам регулирующей ступени ЦВД.

Благодаря указанному техническому эффекту при эксплуатации турбины на всех режимах обеспечено уменьшение прогиба ротора высокого давления за счет более уравновешенного парового потока, действующего на ротор ЦВД, что позволяет выполнить меньшие радиальные зазоры в проточной части ЦВД и тем самым повысить экономичность работы турбины во всем диапазоне нагрузок, а также обеспечено повышение надежности работы турбины, поскольку центрально симметричный подвод пара обеспечивает уменьшение вибрации роторов и подшипников турбины.

Указанный технический эффект обеспечен в устройстве соплового парораспределения цилиндра высокого давления паровой турбины, содержащем регулирующие клапаны, соединенные со своими сервомоторами, сопловые коробки, каждая с сопловой решеткой, сообщенные с коробками регулирующих клапанов, в котором, согласно изобретению, коробка каждого регулирующего клапана соединена трубопроводами с группой сопловых коробок, у которых сопла решеток центрально симметричны относительно оси ротора цилиндра высокого давления.

Указанное в предлагаемом устройстве размещение сопел в группе сопловых коробок и сообщение группы сопловых коробок с одним и тем же р.к. обеспечивает более равномерный паровой поток на рабочие лопатки регулирующей ступени на всех режимах эксплуатации, включая режимы работы с оборванными штоками, что повышает надежность работы турбины во всем диапазоне нагрузок, а также позволяет выполнить проточную часть турбины с меньшими радиальными зазорами и тем самым повысить ее экономичность.

Для дополнительного увеличения экономичности турбины за счет обеспечения в предлагаемом устройстве большего числа режимов при номинальном давлении в сопловых коробках, т.е. режимов с оптимальным сопловым парораспределением, в устройстве соплового парораспределения все сервомоторы, кроме сервомотора регулирующего клапана, открывающегося последним, имеют каждый дополнительное устройство для его полного закрытия при любой нагрузке турбины, а группы сопловых коробок, соответствующие каждая своему регулирующему клапану, имеют относительно друг друга неравное количество сопел.

Указанные дополнительные устройства позволяют путем закрытия одного в случае двух р. к. или двух в случае трех р.к. изменять заданную последовательность открытия р.к. с увеличением количества режимов с номинальным давлением пара в сопловых коробках, при этом неравное количество сопел в группах сопловых коробок относительно друг друга исключает при выполнении измененной последовательности открытия р.к. повтора режима с одной и той же нагрузкой.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 изображена схема предлагаемого устройства, на фиг. 2 - схема предлагаемого устройства с дополнительными устройствами для полного закрытия сервомоторов р.к. при любой нагрузке турбины.

Устройство содержит первый и второй, разгруженные р.к. 1, 2 ЦВД, каждый со своим сервомотором, соответственно 3, 4, при этом сервомотор 3 установлен на коробке 5 р.к. 1, а сервомотор 4 установлен на коробке 6 р.к. 2. Коробка 5 р.к. 1 сообщена трубопроводами 7 с сопловыми решетками 8, 9 соответственно сопловых коробок 10, 11, расположенных диаметрально противоположно относительно оси ротора ЦВД "О". Коробка 6 р.к.2 сообщена трубопроводами 12 с сопловыми решетками 13, 14 соответственно сопловых коробок 15, 16, расположенных также диаметрально противоположно относительно ротора ЦВД "О". Трубопроводы 7, 12 выполнены с обеспечением одинакового гидравлического сопротивления при равных расходах пара через них. Сопла 17 сопловой решетки 8 центрально симметричны относительно оси ротора ЦВД "O" соплам 18 сопловой решетки 9. Сопла 19 сопловой решетки 13 размещены центрально симметрично относительно оси ротора ЦВД "О" соплам 20 сопловой решетки 14.

Устройство может быть снабжено дополнительным устройством для полного закрытия сервомотора 3 р.к. 1 при любой нагрузке турбины, не связанным с системой регулирования (последняя не показана), которая управляет сервомоторами 3, 4. Это устройство может быть выполнено, например, в виде ручного маховика 21 со штоком 22 с резьбой. Шток 22 ввернут в сквозное резьбовое отверстие в крышке 23 верхней полости сервомотора 3 с возможностью его перемещения по резьбе и взаимодействия с поршнем сервомотора 3. Может быть использован маховик с электроприводом (не показан). Устройство соплового парораспределения может иметь более двух р.к. (этот вариант не показан). В этом случае соответственно количеству клапанов увеличивается количество групп сопловых коробок с сопловыми решетками. При этом каждая группа сопловых коробок связана соответственно с одним р.к., сопловые коробки группы размещены диаметрально противоположно, а сопла их решеток выполнены центрально симметрично относительно оси ротора ЦВД "О". При этом все сервомоторы, кроме сервомотора, открывающегося последним, могут быть снабжены дополнительными устройствами для полного их закрытия. Во всех вариантах выполнения устройства соплового парораспределения с указанными устройствами для полного закрытия сервомоторов р. к. группы сопловых коробок, связанные каждая со своим р.к., должны быть выполнены относительно друг друга с неравным количеством сопел, что позволяет при использовании маховиков для изменения последовательности открытия клапанов избежать в новой последовательности режимы с одной и той же нагрузкой при номинальном давлении в сопловых коробках. В результате обеспечивается большее количество режимов с номинальным давлением в сопловых коробках и дополнительно повышается экономичность работы турбины при использовании предлагаемого устройства.

Устройство соплового парораспределения работает следующим образом.

При пуске турбины сначала открывается р. к. 1 сервомотором 3. После открытия р. к. 1 пар из коробки 5 по трубопроводам 7 поступает в сопловые коробки 10 и 11 и в размещенные в них сопловые решетки 8, 9, из которых пар направляется в регулирующую ступень (не показана). При этом, ввиду центрально симметричного размещения сопел 18, 17 относительно друг друга и сообщения их с коробкой одного и того же р.к. 1, отсутствуют возмущающие не центрально симметричные силы (радиальные и осевые), что исключает обусловленный ими изгиб ротора в плоскостях их действия, соответственно повышается надежность работы турбины. Необходимо также отметить, что обрыв штока р.к. 1, как и штоков других клапанов, не вызовет в предлагаемом устройстве возникновения не центрально симметричных сил и соответствующего им прогиба ротора, который может привести к повреждению элементов проточной части в этой нештатной ситуации. По мере увеличения открытия р.к.1 происходит увеличение подачи пара из коробки 5 р.к. 1 в сопловые коробки 10, 11 ЦВД, решетки 8, 9, затем на рабочие лопатки регулирующей ступени ЦВД и из камеры регулирующей ступени в проточную часть ЦВД, что приводит к увеличению частоты вращения, когда турбина не работает в сети, или к увеличению нагрузки на турбине, если турбина работает в сети. После увеличения нагрузки на турбине в результате открытия р.к. 1 до величины, которая соответствует повышению давления пара в сопловых коробках 10, 11 до величины, близкой давлению пара в коробке 5 р.к. 1, открывается р.к. 2 сервомотором 4, который установлен на коробке 6 р.к. После открытия р.к. 2 пар из коробки 6 по двум трубопроводам 12 поступает в сопловые коробки 15, 16 и их сопловые решетки 19, 20. По мере увеличения открытия р. к.2 происходит увеличение подачи пара из коробки 6 р.к.2 в сопловые коробки 15, 16 и через сопловые решетки 19, 20 на рабочие лопатки регулирующей ступени ЦВД и в проточную часть ЦВД (последняя не показана). В случае, если сервомотор 3 устройства соплового парораспределения снабжен ручным маховиком 21, то устройство работает, как устройство, снабженное тремя последовательно открывающимися р.к. ЦВД. В этом случае пуск турбины осуществляют при закрытом маховиком 21 р.к. 1 за счет открытия р.к.2 до первой заданной нагрузки, обеспечиваемой выбранным количеством и геометрией сопел 20, 19 при расчетном (номинальном) давлении в сопловых коробках 15, 16. Таким образом получается первый режим работы турбины с номинальным давлением в двух сопловых коробках 15, 16. Для дальнейшего нагружения турбины сначала переводят турбину на режим работы на р.к.1 при нагрузке, равной нагрузке первого режима работы, за счет постепенного открытия маховиком 21 р. к. 1 ЦВД при одновременном закрытии механизмом управления турбины р.к. 2. Давление пара перед р.к. 1, 2 при этих операциях поддерживают постоянным. После полного закрытия р.к.2 продолжают открывать р.к.1 до его полного открытия и получения отличной от нагрузки первого режима нагрузки второго режима работы турбины с номинальным давлением в сопловых коробках 10, 11. Разная нагрузка первого и второго режимов обеспечены неравным количеством сопел группы сопловых коробок 10, 11 и группы сопловых коробок 15, 16 относительно друг друга, например в отношении сопел первой указанной группы ко второй, как 3:2. В случае выполнения устройства соплового парораспределения с тремя р.к. и с тремя группами сопловых коробок, маховиками на сервомоторах р.к. 1 и р.к. 2, отношение сопел в группе сопловых коробок от первого р.к. к соплам в группе сопловых коробок от второго р.к. и к группе сопловых коробок от третьего р.к. может быть выполнено, например, как соответственно 4:3:2. Третий режим работы обеспечивают повторным открытием р.к.2 механизмом управления турбины до его полного открытия и достижения максимальной нагрузки турбины при ее работе с номинальным давлением во всех сопловых коробках 10, 11 и 15, 16.

Предложенное устройство соплового парораспределения ЦВД обеспечивает в сравнении с известными повышение надежности работы турбины на всех режимах эксплуатации, включая режимы с обрывом штока, позволяет заложить меньшие радиальные зазоры в проточную часть турбины и тем самым повысить ее экономичность. Надо отметить, что предлагаемое устройство обеспечивает выигрыш по экономичности, например, в сравнении с прототипом при использовании меньшего количества клапанов (двух р.к. вместо четырех в прототипе), т.е. при упрощении конструкции и металлоемкости устройства соплового регулирования. Увеличение количества р.к. в предлагаемом устройстве, например, до трех при его работе с использованием маховиков первого и второго р.к. дает возможность увеличения режимов с номинальным давлением в группах сопловых коробок при соответствующем выборе последовательности открытия клапанов, включая режим с отключенными первым и вторым р.к., соответственно увеличивается выигрыш по экономичности работы турбины.

Источники информации
1 А. Д. Трухний. Стационарные паровые турбины М., Энергоиздат, 1990, с. 53, рис.2.31.

2. А.В. Щегляев. Паровые турбины, М., Энергия, с.341, рис.11-9.

3. Е. И. Бенесон, Л.С. Иоффе. Теплофикационные паровые турбины, с. 180, рис. 5-14, 5-15.

Устройство предназначено для подвода пара в регулирующую ступень цилиндра высокого давления (ЦВД) паровой турбины с сопловым парораспределением. Устройство соплового парораспределения ЦВД паровой турбины содержит регулирующие клапаны, соединенные со своими сервомоторами, сопловые коробки, в каждой из которых размещена сопловая решетка. При этом коробка каждого регулирующего клапана соединена с группой сопловых коробок, у которых сопла решеток центрально симметричны относительно оси ротора ЦВД. В результате в устройстве обеспечен центрально симметричный относительно оси ротора ЦВД подвод пара в регулирующую ступень паровой турбины на всех режимах работы турбины, включая режимы с обрывом штока сервомотора какого-либо регулирующего клапана. В результате обеспечен более уравновешенный паровой поток, действующий на ротор турбины, что обеспечивает уменьшение прогиба ротора ЦВД и уменьшение вибрации ротора и подшипников турбины, соответственно повышается надежность работы турбины. Уменьшение прогиба ротора дает возможность выполнять проточную часть турбины с меньшими радиальными зазорами, что повышает экономичность турбины. Для дополнительного увеличения экономичности турбины за счет обеспечения большего числа режимов при номинальном давлении в сопловых коробках путем обеспечения возможности соответствующего изменения заданной последовательности открытия регулирующих клапанов, в устройстве соплового парораспределения все сервомоторы, кроме сервомотора регулирующего клапана, открывающегося последним, имеют каждый дополнительное устройство для его полного закрытия при любой нагрузке турбины, а группы сопловых коробок от каждого регулирующего клапана имеют относительно друг друга неравное количество сопел. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Устройство соплового парораспределения цилиндра высокого давления паровой турбины, содержащее регулирующие клапаны, соединенные со своими сервомоторами, сопловые коробки, каждая со своей сопловой решеткой, сообщенные с коробками регулирующих клапанов, отличающееся тем, что коробка каждого регулирующего клапана соединена с группой сопловых коробок, у которых сопла решеток центрально симметричны относительно оси ротора цилиндра высокого давления. 2. Устройство соплового парораспределения по п. 1, отличающееся тем, что все сервомоторы, кроме сервомотора регулирующего клапана, открывающегося последним, имеют каждый дополнительное устройство для его полного закрытия при любой нагрузке турбины, а группы сопловых коробок, соответствующие каждая своему регулирующему клапану, имеют относительно друг друга неравное количество сопел.