КОНЦЕВОЕ УПЛОТНЕНИЕ ЦИЛИНДРА ПАРОВОЙ ТУРБИНЫ Российский патент 2004 года по МПК F01D11/02 

Предлагаемое изобретение относится к области энергомашиностроения, конкретно турбостроения, в частности к устройству концевых уплотнений (далее КУ), передних КУ (далее ПКУ) цилиндров высокого и среднего давления (далее ЦВД и ЦСД) паровых турбин, работающих с промежуточным перегревом пара, преимущественно для однопоточных рабочих цилиндров.

Известны конструкции лабиринтных концевых уплотнений ЦВД и ЦСД, включающих большое число уплотнительных гребней, камеры отвода, протекающего через уплотнения пара, а также камеры подачи уплотняющего пара, формируемые между отсеками, которые сгруппированы в отдельных обоймах, представляющих собой секции колец с уплотнительными усиками. (А.Д.Трухний. Стационарные паровые турбины. М., 1990 г., с.108-109).

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного устройства, относится то, что обоймы концевых уплотнений имеют фланцевые разъемы в горизонтальной плоскости, перекрывающие камеры отсоса и подачи пара. Это создает существенное сопротивление потоку пара и затрудняет его эвакуацию. Кроме того, обоймы уплотнений подвержены воздействию значительного градиента температуры с противоположных сторон, что и вызывает обычно их коробление, ограничивающее оптимизацию зазора в уплотнении, а при проведении ремонта требует трудоемких работ по их исправлению и последующей центровке относительно корпуса цилиндра турбины.

Известно устройство концевого уплотнения цилиндра паровой турбины, выполненное в виде отдельных обойм, размещенных в горловине корпуса турбины, и содержащее одну из обойм, включающую кольцевую и сообщающуюся с ней дополнительную камеру подвода охлаждающего пара, которая выполнена в виде нескольких сообщающихся между собой полостей, ряды уплотнительных сегментов, а также устройство подвода охлаждающего пара, включающее патрубок подвода охлаждающего пара, соединенный цилиндрическим поршневым соединением с корпусом цилиндра и сообщенный каналами с кольцевой камерой подвода охлаждающего пара, расположенной на внутренней поверхности обоймы уплотнения со стороны ротора, между передним концевым уплотнением и диском ротора первой ступени ЦСД. (Авторское свидетельство СССР №909233, опубликовано в БИ №8, 1982 г., стр. 167).

К причинам, препятствующим достижению желаемого технического результата при использовании устройства по прототипу, относится то, что помимо неудовлетворительной работы уплотнения, вследствие выполнения его из отдельных обоим, организация нескольких полузамкнутых камер, сообщенных каналами, в продольном направлении на внешней стороне одной из обойм, не может обеспечить равномерности температурного поля в полости цилиндра. Отсутствие возможности организации дополнительного и направленного охлаждения ротора первой и второй ступени ЦСД приводит к неравномерности теплового поля наиболее напряженного участка ротора, что также не способствует продлению ресурса и повышению надежности работы турбины.

Наиболее близким устройством аналогичного назначения к предлагаемому по совокупности признаков и выбранному в качестве прототипа является устройство концевого уплотнения, содержащее патрубок подвода пара, выполненный внутри корпуса цилиндра, секции колец лабиринтного уплотнения, сгруппированные в отсеки и установленные в базовом опорном средстве, размещенном внутри горловины цилиндра, камеры отвода и подачи пара, уплотнение между ними, выполненное в виде плоских колец, установленных в кольцевых щелях с осевым зазором, причем базовое опорное средство выполнено в виде сплошной цилиндрической равнотолщинной обоймы с расточками по внутренней поверхности, образующими кольцевые камеры и сообщающиеся с камерами отвода и подачи пара, профилированные в форме улиток", профилированные пароотбойные гребни. (Патент РФ №2174606, опубликован в БИ №28, 2001 г.).

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже желаемого технического результата при использовании известного устройства, является недостаточный уровень ремонтопригодности, заключающийся в том, что при модернизации ранее установленных паровых турбин исключается возможность выполнения всех необходимых отводов и организации подачи пара, вследствие конструктивных особенностей размещения уплотнения, а также сложность и трудоемкость ремонтных работ в случаях неудовлетворительной работы КУ цилиндра паровой турбины или при его модернизации. Известная конструкция не обеспечивает также достаточной надежности работы уплотнения цилиндра и оптимального градиента распределения температурного поля.

Технической задачей, решаемой предлагаемым изобретением, является разработка такого устройства концевого уплотнения цилиндра паровой турбины, которое позволяет повысить эффективность его работы, ремонтопригодность и способность к дальнейшей модернизации, при этом одновременно обеспечить равномерность температурного поля в объеме рабочего цилиндра путем организации дополнительного охлаждения дисков первой и второй ступени ротора, за счет возможности подвода пара от любого внутреннего или внешнего постороннего источника, что в комплексе позволит обеспечить повышение межремонтного пробега как уплотнения, так и ротора турбины, показателей экономичности и надежности работы паровой турбины в целом.

Указанный технический результат при осуществлении предлагаемого технического решения достигается тем, что в устройстве концевого уплотнения, содержащего патрубок подвода пара, лабиринтное уплотнение, камеры отвода и подачи пара, уплотнения между ними, выполненные в виде плоских колец, установленных в кольцевых щелях с осевым зазором, и расположенные в базовом опорном средстве, выполненном в виде сплошного цилиндра с равной толщиной оболочки в качестве обоймы для отсеков с расточками по внутренней поверхности, образующими кольцевые камеры и сообщающиеся с профилированными камерами отвода и подачи пара, а также пароотбойные гребни, согласно изобретению участок базового опорного средства, содержащий патрубок подвода пара, приемную окружную камеру подачи и камеру отвода протечек из уплотнения выполняют в виде узла, вынесенного за пределы торца горловины корпуса цилиндра турбины и с габаритом, превышающим габариты горловины корпуса, причем упомянутый габарит не имеет ограничений в осевом и радиальном направлениях с учетом места его размещения, при этом приемную окружную камеру непосредственно сообщают с патрубком, обеспечивающим подвод пара от любого, внутреннего или внешнего, источника, имеющего более низкую температуру, чем рабочая температура первой ступени ЦСД, и профилированной распределительной камерой, которую соединяют с обоймой переднего концевого уплотнения и одновременно с полостью первой ступени и отсеком диафрагменных уплотнений второй ступени ЦСД. При этом продольные осевые каналы, соединяющие приемную окружную камеру и распределительную камеру, расположенную между ПКУ и диском первой ступени ЦСД, размещают в промежутках радиальных каналов, соединяющих расточку на внутренней поверхности обоймы уплотнения с камерами отвода пара и которые разделены между собой уплотнением, выполненным в виде плоских колец, а участок базового опорного средства, вынесенный за пределы торца горловины корпуса цилиндра турбины, дополнительно жестко фиксируют к корпусу с помощью опорных лап и шпонок.

Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации, позволил установить, что заявитель не обнаружил аналог, характеризующийся признаками, тождественными или эквивалентными вышеперечисленным. Определение из перечня выявленных аналогов прототипа, как наиболее близкого по совокупности признаков к предлагаемому техническому решению, позволил выявить совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков в заявленном устройстве и изложенных в нижепредставленной формуле изобретения.

Следовательно, предлагаемое техническое решение соответствует критерию патентоспособности “новизна”.

Для проверки соответствия заявленного изобретения критерию патентоспособности "изобретательский уровень" заявитель провел дополнительный поиск известных из уровня техники решений. Результаты поиска показали, что заявленное изобретение не вытекает для специалиста явным образом из известного уровня техники, поскольку из уровня техники, определенного заявителем, не следует влияние возможностей устройства, предусматриваемых существенными признаками заявленного изобретения, на достижение сформулированного заявителем технического результата.

В частности, предлагаемое устройство не предусматривает:

- дополнение известного устройства какой-либо известной частью (частями), присоединяемой (присоединяемыми) к нему по известным правилам, для достижения технического результата, в отношении которого установлено влияние именно таких дополнений;

- замена какой-либо части (частей) известного устройства другой известной частью для достижения технического результата, в отношении которого установлено влияние именно такой замены;

- исключение какой-либо части (элемента) устройства с одновременным исключением обусловленной ее наличием функции и достижением при этом известного из уровня техники для такого исключения результата;

- увеличение количества однотипных элементов для усиления технического результата, обусловленного наличием в средстве именно таких элементов;

- создание устройства, состоящего из известных частей, выбор которых и связь между которыми осуществлены на основании известных правил, рекомендаций, а достигаемый при этом технический результат обусловлен только известными свойствами частей этого средства и связей между ними.

Более того, исходя из нижепредставленного описания устройства и его работы, можно сделать вывод, что в отличие от известных устройств концевых уплотнений, не предусматривающих возможности подачи пара от любого, внутреннего или внешнего, постороннего источника, предлагаемое устройство обеспечивает такую возможность. При этом наличие дополнительной профилированной распределительной камеры, расположенной между ПКУ и первой ступенью ЦСД, исключает смешение поступающего потока охлаждающего пара с потоком рабочего пара первой ступени. Это обстоятельство в совокупности с тем, что камера позволяет обеспечить направленность потока пара, причем не только к диску первой ступени цилиндра, но и к диафрагменным уплотнениям второй ступени через разгрузочные отверстия в диске первой ступени, дополнительно улучшает температурный уровень наиболее напряженного участка ротора турбины. Неочевидное конструкторское решение с выносом за горловину корпуса цилиндра камеры отвода пара из уплотнения и приемной окружной камеры подвода обеспечивает возможность подвода охлаждающего пара не только от внутреннего, но и от любого постороннего источника, что позволяет получить неожиданный и комплексного характера результат. Он заключается в повышении надежности работы уплотнения при одновременной возможности организации охлаждения ротора турбины, а также реальной адаптации предлагаемого решения не только к новым, вводимым в эксплуатацию, но и к ранее установленным на электростанциях паровым турбинам в случае необходимости их ремонта или модернизации. Для известных устройств концевых уплотнений ЦСД и ЦВД перечисленные преимущества являются практически конструктивно недостижимыми.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует критерию патентоспособности "изобретательский уровень".

На фиг.1-3, поясняющих сущность заявленного технического решения, показаны: продольный разрез предлагаемого устройства концевого уплотнения по плоскости А-А (фиг.1); поперечный разрез по плоскости В-В изображенных на фиг.1 камеры отвода паровоздушной смеси и приемной камеры подвода пара (фиг.3); продольный разрез элементов конструкции, изображенных на фиг.2, где представлен поперечный разрез по плоскости Б-Б на фиг.1, концевого уплотнения (фиг.3).

Предлагаемое устройство рассмотрено на примере лабиринтного ПКУ ЦСД паровой турбины, состоящего из секций уплотняющих колец 5, сгруппированных в отсеки 1-4 и установленных в базовом опорном средстве, выполненном в виде сплошного цилиндра с равной толщиной оболочки в качестве обоймы 6, которая размещена в горловине корпуса цилиндра турбины 7, с возможностью разъема в горизонтальной плоскости по оси цилиндра (фиг.1). Для фиксации углового положения обоймы 6 ее нижняя половина установлена на лапах 8 и 21, при этом нижняя и верхняя половины в продольном направлении зафиксированы шпонками 9 и 10 (фиг.1, 2). В цилиндрической обойме 6 между отсеками лабиринтных уплотнений 1-4 выполнены расточки 11, образующие кольцевые камеры, которые за счет выполнения радиальных каналов (отверстий) 12, проходящих к внешней поверхности обоймы 6, соединены с двумя камерами отвода пара 13 и 14, расположенными в корпусе цилиндра 7 (фиг.1, 2). Камера отвода паровоздушной смеси 15 расположена внутри опорного средства 6 (см. фиг.1, 3). При этом камеры отвода паровоздушной смеси 15, подвода пара 16 и распределительная камера имеют профилированные полости, обеспечивающие направленность потока пара, что снижает уровень потерь. Камеры 15 и 16 выполнены в виде отдельного узла и представляют собой участок базового опорного средства, который вынесен за торец горловины корпуса цилиндра 7, что обеспечивает возможность подачи охлаждающего пара от любого, внутреннего или внешнего, постороннего источника через патрубок 24 и камеру 16. Такой прием позволяет реально адаптировать предлагаемое устройство концевого уплотнения к действующим паровым турбинам, имеющим КУ известных конструкций, в случаях потребности их модернизации в условиях электростанции. Приемная окружная камера 16 соединяется осевыми каналами 17 с распределительной камерой обоймы уплотнения 18, которая обеспечивает подвод пара одновременно к первому отсеку уплотнения 1 и через разгрузочные отверстия 19 в диске первой ступени по каналам 20 к отсекам диафрагменных уплотнений второй ступени ротора турбины. Первые камеры отбора пара 13 и 14, расположенные последовательно по направлению его движения, предназначены для удаления пара протечки в подогреватели системы регенеративного подогрева питательной воды, а последняя камера 15 - для удаления паровоздушной смеси протечки в конденсатор-утилизатор. Для исключения протечек пара между камерами отвода пара 13, 14 в кольцевом зазоре между обоймой 6 и корпусом цилиндра 7 в кольцевых щелях установлены плоские уплотнительные кольца 25. При этом величина зазоров между уплотнительными кольцами выбирается такой, что при работе турбины за счет температурного расширения металла и перемещения обоймы 6 относительно корпуса 7 они сводятся к минимуму.

Непосредственно на валу или на насадной втулке ротора 23 напротив расточек 11 в обойме 6 аналогично устройству по прототипу располагают пароотбойные гребни 22, которые предназначены для улучшения отвода пара и которые выполняют с профилем, близким к профилю колеса центробежного насоса.

Предлагаемое устройство концевого уплотнения цилиндра паровой турбины работает следующим образом.

Из первых камер 13, 14 по направлению протечки пара из рабочего цилиндра пар отводят в подогреватели системы регенеративного подогрева питательной воды, а из последней камеры 15 пар и воздух отводится в конденсатор-утилизатор. При этом выполнение камер отвода пара профилированными, например, в форме улиток для обеспечения направленности парового потока значительно повышает эффективность процесса эвакуации пара и надежность работы уплотнения. Наличие вынесенного за пределы горловины корпуса цилиндра патрубка подвода пара 24 обеспечивает возможность подачи пара с более низкой температурой от любого, в том числе и постороннего источника (например, отдельного внешнего парогенератора). Последнее осуществляется непосредственно через профилированную приемную окружную камеру 16, из которой пар поступает по осевым каналам 17 в профилированную кольцевую распределительную камеру 18 и далее, омывая участок ротора у диска первой ступени цилиндра, через разгрузочные отверстия 19 направляется по каналам 20 в отсеки диафрагменных уплотнений второй ступени ЦСД. Указанные возможности предлагаемой конструкции создают оптимальные условия для существенного улучшения температурного уровня и соответственно охлаждения ротора турбины, что позволяет повысить ресурс и надежность работы. При этом сообщение камер отвода пара протечки 13, 14 и расположенных в корпусе цилиндра турбины 7 радиальными каналами (отверстиями) 12, с проточками 11 между отсеками (1-4) уплотнения при одновременном выполнении камер отвода с профилем сечения в форме улиток, а также применение пароотбойных гребней с профилем, близким к профилю колеса центробежного насоса, позволяет обеспечить эффективную эвакуацию пара протечки из концевого уплотнения.

Конструктивное исполнение базового опорного средства с участком, вынесенным за торец горловины корпуса цилиндра турбины и в котором размещены камеры отвода паровоздушной смеси 15 и приемная окружная камера 16, с габаритами, превышающими наружный торец горловины цилиндра, обеспечивает повышение ремонтопригодности концевого уплотнения и его адаптацию к действующим паровым турбинам при их модернизации на электростанции. Кроме того, дополнительная жесткая фиксация вынесенного за пределы горловины корпуса цилиндра части базового опорного средства с помощью лап 21 и шпонок 10 обеспечивает снижение возникающих при работе турбины и воздействующих на ПКУ нагрузок и скручивающих усилий, что позволяет минимизировать технологические зазоры уплотнения, в связи с чем дополнительно повышается эффективность и надежность его работы.

Таким образом, вышеуказанные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании предлагаемого устройства следующей совокупности условий:

- устройство, воплощающее предлагаемое техническое решение при его осуществлении, используется в турбостроении, а именно при разработке и создании устройств концевых уплотнений для цилиндров паровых турбин;

- для заявленного устройства в том виде, как оно охарактеризовано в независимом пункте изложенной ниже формулы, подтверждается возможность его осуществления с помощью приведенных в описании заявки или известных до даты приоритета средств и методов;

- устройство, воплощающее предлагаемое изобретение при его осуществлении, способно обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата, а именно обеспечить повышение эффективности и надежности работы уплотнения, оптимизацию температурного поля в объеме и на поверхности ротора рабочего цилиндра, эффективность охлаждения дисков первой и второй ступени ротора, что в комплексе позволяет обеспечить повышение межремонтного ресурса и безаварийности работы как концевого уплотнения, ротора цилиндра, так и турбоагрегата в целом.

Следовательно, предлагаемое изобретение соответствует критерию патентоспособности “промышленная применимость”.

Изобретение относится к области энергомашиностроения, в частности к устройству концевых уплотнений цилиндров высокого и среднего давления (далее ЦВД и ЦСД) паровых турбин, работающих с промежуточным перегревом пара, преимущественно для однопоточных рабочих цилиндров. Устройство снабжают узлом для подвода пара от любого, внутреннего или внешнего, источника, имеющего более низкую температуру, чем рабочая температура первой ступени ротора ЦСД, расположенным на участке базового опорного средства, вынесенном за торец горловины цилиндра, при этом выполненного с габаритами, превышающими габариты наружного торца горловины цилиндра турбины и которые не имеют ограничений в осевом и радиальном направлениях с учетом места расположения переднего концевого уплотнения (ПКУ). Устройство также снабжают дополнительной распределительной камерой, соединенной одновременно с ПКУ, а также первой и второй ступенью ЦСД через разгрузочные отверстия в диске первой ступени цилиндра и секции диафрагменных уплотнений второй ступени. Изобретение заметно улучшает работу уплотнения и создает оптимальные условия по существенному улучшению температурного уровня и эффективному охлаждению ротора, что в комплексе обеспечивает продление ресурса и повышение надежности ротора и турбины в целом, при всех возможных режимах эксплуатации. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Концевое уплотнение цилиндра паровой турбины, содержащее патрубок подвода, отсеки лабиринтных уплотнений, камеры отвода и подачи пара, разделенные между собой уплотнениями в виде плоских колец, установленных в кольцевых щелях с минимальным осевым зазором, базовое опорное средство, выполненное в виде сплошного цилиндра с равной толщиной оболочки в качестве обоймы для отсеков с расточками по внутренней поверхности, образующими кольцевые камеры, сообщающиеся с профилированными камерами отвода и подачи пара, профилированные пароотбойные гребни, отличающееся тем, что патрубок подвода пара, приемную окружную камеру и камеру отвода из уплотнения паровоздушной смеси выполняют в виде отдельного узла и размещают на участке базового опорного средства, который выносят за пределы торца горловины корпуса цилиндра турбины, при этом выполняют с габаритом, превышающим габариты упомянутой горловины, а приемную окружную камеру одновременно сообщают с профилированной распределительной камерой, которую соединяют с обоймой переднего концевого уплотнения, а также полостью первой ступени ЦСД (цилиндра среднего давления) и отсеком диафрагменных уплотнений второй ступени ЦСД.2. Концевое уплотнение по п.1, отличающееся тем, что продольные осевые каналы, соединяющие приемную окружную камеру и распределительную камеру, расположенную между ПКУ (передними концевыми уплотнениями) и диском первой ступени ЦСД, размещают в промежутках радиальных каналов, соединяющих расточку на внутренней поверхности обоймы уплотнения с камерами отвода паровоздушной смеси.3. Концевое уплотнение по п.1, отличающееся тем, что участок базового опорного средства, который выносят за пределы торца горловины корпуса цилиндра, дополнительно имеет жесткую фиксацию с корпусом цилиндра турбины с помощью лап и шпонок, при этом размещенный на нем патрубок подвода пара может быть соединен с любым, как внутренним, так и внешним источником пара, имеющим более низкую температуру, чем рабочая температура первой ступени ЦСД.