УСТРОЙСТВО ПОДВОДА УПЛОТНЯЮЩЕГО ПАРА В ЦИЛИНДР ПАРОВОЙ ТУРБИНЫ Российский патент 2005 года по МПК F01D11/04 

Предлагаемое изобретение относится к области энергомашиностроения, конкретно турбостроения, в частности к устройству подвода уплотняющего пара в концевое уплотнение цилиндра среднего давления (далее ЦСД) паровых турбин, работающих с промежуточным перегревом пара, преимущественно для реализации однопоточной схемы ЦСД.

Известно устройство подвода уплотняющего пара в предпоследнюю камеру переднего концевого уплотнения (ПКУ) цилиндра среднего давления (ЦСД), в котором узел отбора пара из первой ступени ЦСД непосредственно соединен с узлом ПКУ ЦСД, сформированным заодно с отсеками, состоящими из отдельных обойм и содержащих сгруппированные в секции кольца с уплотнительными усиками, чередующиеся через камеры отбора уплотняющего пара и расположенные между отсеками уплотнения в которых сгруппированы секции (А.Д.Трухний. "Стационарные паровые турбины", М., 1990 г. стр.57, рис.6.3).

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже желаемого технического результата при использовании известного устройства, относится то, что помимо неудовлетворительной работы уплотнения сохраняется неравномерность теплового режима наиболее напряженного участка ротора в полости цилиндра по причине того, что давление и температура охлаждающего пара на входе в ПКУ и перед первой ступенью ротора ЦСД турбины практически одинаковы. Таким образом, известное устройство не может обеспечить реализации задачи по продлению ресурса, надежности и экономичности турбины вследствие отсутствия реального охлаждения ротора в области первой и второй ступени ЦСД турбины.

Известно устройство подвода уплотняющего пара в ПКУ ЦСД, состоящее из обойм с камерами отбора и подачи пара, при этом камера отбора пара из первой камеры ПКУ ЦВД непосредственно соединена с подогревателем высокого давления (ПВД) (А.Г.Костюк, В.В.Фролов. "Паровые и газовые турбины", М., 1985 г., стр.26).

К причинам, препятствующим достижению желаемого технического результата при использовании упомянутого известного устройства, относится то, что отвод высокопотенциального пара из первой камеры ПКУ ЦВД в ПВД с более низким потенциалом рабочей среды приводит к повышенным потерям энергии рабочего тела и, соответственно, снижению экономичности работы паровой турбины в целом (Г.О.Гродский. "Энергосберегающая модернизация уплотнений турбомашин", в журнале "Компрессорная техника и пневматика", 2001 г., № 4, стр.18-19).

Наиболее близким устройством аналогичного назначения к предлагаемому по совокупности признаков и выбранным в качестве прототипа является устройство подвода пара, включающее паропровод первого отбора пара ЦВД, соединенный с узлом отбора пара через трубопроводы, снабженные дроссельными шайбами, байпасными линиями, паровыми форсунками, при этом узел отбора пара соединен непосредственно с ПКУ ЦСД и узлом ввода пара в рабочий объем ЦСД в районе между дисками первой и второй ступени ЦСД (Л.А.Хоменок, B.C.Шаргородский. "Повышение надежности и продление ресурса службы роторов ВД и СД турбин К-200-130 ЛМЗ на ТЭЦ Болгарии", в журнале "Электрические станции", 2001 г., № 9, стр.63-67).

К причинам, препятствующим достижению ниже технического результата при использовании известного устройства по прототипу, относится то, что оно предусматривает сложную технологическую систему трубопроводов, дренажей, вентилей настройки, использование специального парового теплообменника и т.п.. В результате, как следствие, повышается трудоемкость работ в случаях необходимости модернизации или планового ремонта турбоагрегата. Кроме того, виду отсутствия условий оптимальной организации входа парового потока как в ПКУ, так и во вторую ступень ЦСД там создается неравномерный градиент распределения теплового поля на наиболее напряженном участке ротора и возникают повышенные потери рабочего тела, что не способствует увеличению ресурса, повышению надежности и экономичности работы паровой турбины.

Технической задачей, решаемой предлагаемым изобретением, является разработка такого устройства подвода уплотняющего пара в цилиндр паровой турбины, которое наряду с повышением эффективности работы концевого уплотнения, заключающимся в существенном снижении протечек пара из рабочей полости цилиндров турбины, позволяет одновременно заметно снизить неравномерность градиента распределения температурного поля в полости цилиндра паровой турбины, обеспечить охлаждение работающих в напряженном режиме узлов ротора ЦСД, что в комплексе позволит улучшить эффективность работы концевого уплотнения, показатели ремонтопригодности и способности его к дальнейшей модернизации, чем обеспечит повышение экономичности работы и степени надежности цилиндра паровой турбины в целом.

Указанный технический результат при осуществлении предлагаемого устройства достигается тем, что в устройстве подвода уплотняющего пара в цилиндр паровой турбины, включающим узел отбора пара из ЦВД, соединительные трубопроводы, узел ввода пара в ЦСД, что узел отбора пара из ЦВД, расположенный за первым отсеком обоймы концевых уплотнений, соединяют трубопроводом, снабженным дроссельным регулятором-распределителем расхода, с узлом ввода пара в ПКУ ЦСД, профилированную приемную камеру располагают между ПКУ и первой рабочей ступенью ЦСД, при этом дроссельный регулятор-распределитель обеспечивает разделение общего потока отбора пара на две части с соотношением расходов не менее 1:3, а профилированная приемная камера обеспечивает направленность поступающего в нее потока пара с последующим его распределением на две равные по расходу части, одна из которых направляется в ПКУ ЦСД, а другая в ЦСД, а также большую часть потока после дроссельного регулятора-распределителя направляют в приемную профилированную камеру узла ввода пара в ПКУ ЦСД, а меньшую часть потока в линию сброса пара в проточную часть ЦВД и/или в подогреватель пара высокого давления, при этом дроссельный регулятор позволяет автоматически поддерживать заданные соотношения расходов отбираемого с узла отбора ПКУ ЦВД и распределяемых далее потоков пара. Кроме того, часть потока пара, направляемую непосредственно в ЦСД через разгрузочные отверстия диска ротора первой ступени ЦСД, далее направляют в секцию диафрагменных уплотнений второй ступени ЦСД.

Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации, а также выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленного изобретения, позволил установить, что заявитель не обнаружил технического решения, характеризующегося признаками, тождественными или эквивалентными предлагаемым.

Определение из перечня выявленных аналогов прототипа, как наиболее близкого технического решения по совокупности признаков, позволило выявить в заявленном устройстве совокупность существенных отличительных признаков по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату, изложенную в нижеприведенной формуле изобретения.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует критерию патентоспособности “новизна”.

Для проверки соответствия заявленного изобретения условию “изобретательский уровень” заявитель провел дополнительный поиск известных из уровня техники решений. Результаты поиска показали, что предлагаемое изобретение не вытекает явным для специалиста образом из известного уровня техники и определенного заявителем. В частности, предлагаемым изобретением не предусматриваются следующее:

- дополнение известного средства 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 средства 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, как, например, упрощение, уменьшение массы, габаритов, материалоемкости, повышение надежности, сокращение продолжительности процесса и т.п.;

- 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, следует обратить внимание, что как уже упоминалось выше, известные устройства, предусматривающие подвод уплотняющего пара и реализующие применяемые на практике тепловые схемы, организуются таким образом, что не позволяют решить поставленную заявителем техническую задачу, а именно повышение надежности и эффективности работы концевого уплотнения ЦСД турбины, с одновременным эффектом охлаждения ротора первой и второй ступени. Для достижения желаемого результата заявитель принципиально изменил схему соединений известных элементов в устройстве подвода уплотняющего пара, а также снабдил его новыми узлами. При реализации предлагаемого устройства, за счет выполнения соединения линии отбора пара из ПКУ ЦВД, имеющего более низкую температуру ( как правило, на 12-16%), чем у рабочего тела в первой ступени ЦСД со специальной профилированной камерой отбора пара, а также регулятором-распределителем дроссельного типа, распределяющим расход отбора пара, созданы оптимальные условия для одновременной реализации существенного снижения протечек пара из цилиндра, а также повышения равномерности распределения температурного градиента в объеме ЦСД и охлаждения ротора турбины. Кроме того, выбор места в узле ввода пара ПКУ ЦСД для расположения профилированной приемной камеры между думмисом ПКУ и первой ступенью ЦСД, ее способность одновременно формировать направленность потока и его распределение в ПКУ ЦСД и в район расположения диска первой ступени ротора ЦСД, а далее в обойму диафрагменных уплотнений второй ступени ЦСД, позволяет осуществить не только эффективное охлаждение роторов первой и второй ступеней ЦСД, но и "сработать" в проточной части ЦВД и ЦСД дополнительное количество собственного рабочего тела. Это позволяет существенно повысить показатели экономичности работы цилиндра паровой турбины. За счет обеспечения возможности автоматического поддержания соотношения расходов пара, направляемого в ПКУ ЦСД и на сброс, при значительном сокращении (по сравнению с устройством по прототипу) длины соединительных трубопроводов, а также количества регулирующей аппаратуры, исключаются потери пара из-за разности потенциалов рабочей среды (характерных, например, при отборе пара и его подачи в ПВД), улучшается показатель ремонтопригодности, что дополнительно повышает экономичность работы паровой турбины в целом. Таким образом, можно сделать вывод, что предлагаемое заявителем устройство обеспечивает достижение усматриваемого им неочевидного технического результата.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует критерию "изобретательский уровень".

Сущность предлагаемого технического решения представлена на чертеже, где приведены основные элементы устройства подвода уплотняющего пара в цилиндр паровой турбины и их взаимосвязь. В частности показаны прямоточный ЦВД - 1, прямоточный ЦСД - 2, ПКУ ЦВД - 3 и ПКУ ЦСД - 4, камера отбора пара из первого отсека ПКУ ЦВД - 5, трубопровод общего отбора пара из ПКУ ЦВД - 6, с ветвями паропроводов подачи пара - 7 в профилированную приемную камеру - 9 узла ввода пара ПКУ ЦСД и паропровода сброса избытка пара - 8 в проточную часть ЦВД и/или подогреватель пара высокого давления. Профилированная приемная камера - 9 расположена между думмисом -10 узла ввода пара и диском первой ступени ЦСД - 11, снабженного разгрузочными отверстиями - 12. На схеме также условно показаны диафрагменные уплотнения второй ступени ЦСД - 13, дроссельный регулятор-распределитель потока пара - 14.

Предлагаемое устройство устройства подвода уплотняющего пара в цилиндр паровой турбины работает следующим образом.

Пар, с параметрами давления 22 бара и температуры 450°С, из камеры отбора 5 ПКУ ЦВД, расположенной за первым отсеком ПКУ ЦВД, по трубопроводу отбора 6, через дроссельный регулятор-распределитель 14, расположенный на ветви паропровода 7, поступает в профилированную приемную камеру - 9 узла ввода пара ПКУ ЦСД. Дроссельный регулятор-распределитель 14 делит поток отбираемого пара на две части, с соотношением расходов не менее 1:3, который далее распределяется следующим образом. Большая часть потока, три четверти от общего расхода пара и выше, поступает в профилированную приемную камеру - 9, а меньшая часть по линии сброса пара 8 в проточную часть ЦВД и/или в подогреватель пара высокого давления. Камера 9, имеющая определенным образом спрофилированную полость, формирует общую направленность входящего в ПКУ ЦСД потока пара и одновременно распределяет его примерно на две равные части, одна из которых направляется непосредственно в секции уплотнений ПКУ ЦСД. Другая часть потока, через разгрузочные отверстия 12 в диске 11, поступает в секцию диафрагменных уплотнений второй ступени ЦСД - 13. Избыток отбора пара из ПКУ ЦВД - 5 поступает в линию сброса и по паропроводу - 8 направляется в проточную часть ЦВД или на ПВД.

Таким образом, при реализации предлагаемого устройства за счет выполнения узла отбора пара с более низкой температурой (на 12-16%), чем рабочего тела на первой ступени ЦСД, и расположенного за первым отсеком ПКУ ЦВД, направления его в специальную профилированную приемную камеру, расположенную между ПКУ ЦСД и первой ступенью ротора ЦСД и обеспечивающую одновременное поступление пара в ПКУ ЦСД, а также первую и вторую ступени роторов ЦСД, создаются оптимальные условия по значительному уменьшению протечек рабочего тела из цилиндра турбины, эффективному охлаждению ротора турбины, снижению градиента температурного распределения в проточной части ЦСД. За счет того, что предлагаемое устройство подвода уплотняющего пара позволяет автоматически поддерживать соотношения расходов пара при отборе и последующем его распределении, при существенном, по сравнению с прототипом, сокращении длины соединительных трубопроводов, отсутствию дренажей и количества регулирующей арматуры, заметно повышается показатель ремонтопригодности турбоагрегата и снижаются потери рабочего тела. Это в комплексе обеспечивает повышение надежности и эффективности работы концевого уплотнения и улучшает показатель экономичности работы паровой турбины, повышает ресурс и надежность ее работы в целом.

Вышеуказанные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании предлагаемого способа следующей совокупности условий:

- устройство, воплощающее предлагаемое техническое решение при его осуществлении, используется в турбостроении, в частности при производстве и модернизации устройств подвода пара к цилиндрам в том числе и мощных паровых турбин;

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

- устройство, воплощающее заявленное изобретение при его осуществлении, способно обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата, а именно заметно снизить величину протечек пара через концевые уплотнения цилиндра, при одновременном существенном выравнивании градиента распределения температурного поля в рабочем цилиндре паровой турбины, обеспечивая охлаждение на наиболее напряженном участке ротора ЦСД. Кроме того, повышается ремонтопригодность и способность узла концевого уплотнения к дальнейшей модернизации. Тем самым, в комплексе, предлагаемое изобретение позволяет повысить степень надежности и экономичности работы паровой турбины в целом.

Следовательно, предлагаемое изобретение соответствует критерию патентоспособности "промышленная применимость".

Изобретение относится к области энергомашиностроения, конкретно турбостроения, в частности к устройству подвода уплотняющего пара к переднему концевому уплотнению цилиндра среднего давления и одновременно повышающего равномерность температурного поля в рабочей полости цилиндра среднего давления паровых турбин, работающих с промежуточным перегревом пара, преимущественно для реализации однопоточной схемы цилиндра среднего давления (ЦСД). Технической задачей, решаемой предлагаемым изобретением, является разработка устройства подвода уплотняющего пара, которое одновременно обеспечивает улучшение надежности работы концевого уплотнения цилиндра, а также заметное выравнивание градиента распределения температурного поля в объеме цилиндра паровой турбины, повышение эффективности охлаждения ротора цилиндра, улучшение ремонтопригодности и способности концевого уплотнения к дальнейшей модернизации. Сущность изобретения заключается в том, что узел отбора пара с более низкой температурой и расположенный за первым отсеком переднего концевого уплотнения (ПКУ) цилиндра высокого давления (ЦВД), непосредственно соединяют трубопроводом, снабженным дроссельным регулятором, с узлом ввода пара в ПКУ ЦСД, который в свою очередь дополнительно снабжают профилированной приемной камерой, которую располагают между ПКУ и первой рабочей ступенью ЦСД, при этом дроссельный регулятор обеспечивает разделение общего потока отбора пара на две части, с расходами в соотношении не менее 1:3. Большую часть потока направляют в ПКУ ЦСД и далее через разгрузочные отверстия диска ротора первой ступени ЦСД в диафрагменные уплотнения второй ступени ЦСД, а меньшую по расходу в линию сброса в проточную часть ЦВД и/или в подогреватель пара высокого давления (ПВД). Изобретение создает оптимальные условия по существенному улучшению температурного уровня и снижению паровых протечек цилиндра турбины, уменьшению потерь энергии рабочего тела, что в комплексе обеспечивает продление ресурса, надежности и экономичности турбины в целом. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Устройство подвода уплотняющего пара в цилиндр паровой турбины, включающее узел отбора пара из цилиндра высокого давления ЦВД, соединительные трубопроводы, узел ввода пара в цилиндр среднего давления ЦСД, отличающееся тем, что узел отбора пара из ЦВД, расположенный за первым отсеком обоймы концевых уплотнений, соединяют трубопроводом, снабженным дроссельным регулятором-распределителем расхода, с узлом ввода пара в переднее концевое уплотнение ПКУ ЦСД, профилированную приемную камеру располагают между ПКУ и первой рабочей ступенью ЦСД, при этом дроссельный регулятор-распределитель обеспечивает разделение общего потока отбора пара на две части с соотношением расходов не менее 1:3, а профилированная приемная камера обеспечивает направленность поступающего в нее потока пара с последующим его распределением на две равные по расходу части, одна из которых направляется в ПКУ ЦСД, а другая в ЦСД.2. Устройство подвода уплотняющего пара по п.1, отличающееся тем, что большая часть потока после дроссельного регулятора - распределителя направляют в приемную профилированную камеру узла ввода пара в ПКУ ЦСД, а меньшую часть потока в линию сброса пара в проточную часть ЦВД и/или в подогреватель пара высокого давления, при этом дроссельный регулятор позволяет автоматически поддерживать заданные соотношения расходов отбираемого с узла отбора ПКУ ЦВД и распределяемых далее потоков пара.3. Устройство подвода уплотняющего пара по п.1 или 2, отличающееся тем, что часть потока пара, направляемая непосредственно в ЦСД, через разгрузочные отверстия диска ротора первой ступени ЦСД далее направляют в секцию диафрагменных уплотнений второй ступени ЦСД.