РЕГУЛИРУЮЩИЙ КЛАПАН С ДИФФУЗОРНЫМ УСТРОЙСТВОМ Российский патент 2006 года по МПК F16K1/06 F01D17/14 

1. Область техники, к которой относится изобретение.

Изобретение относится к теплоэнергетическому машиностроению, в частности к турбостроению.

2. Уровень техники.

Известные в турбиностроении устройства регулирующих клапанов, или односедельный паровой клапан, имеют, как правило, боковой подвод пара в паровую коробку.

Решение, определяемое простотой технологии изготовления и размещением клапана и седла, включило в себя важный фактор - боковой подвод потока с весьма весомыми последствиями отрицательного свойства.

Такой подвод пара имеют все клапаны турбин АО "ЛМЗ" (лит.1).

Турбостроение имеет парораспределение турбин высокого давления АО "КТЗ". Характерной особенностью парораспределения данного типа является свободная, неподпружинная установка клапанов в разрезной траверсе, что само по себе является высококонструктивным решением (Лит.2). И в этой конструкции боковой подвод пара выводит из строя первые два, три клапана раньше желаемого срока.

Известно устройство по SU 438794, кл. F 01 ДП/10.08.1974 (2 л) (лит.3), в котором по описанию "Пульсация давления парового потока не воспринимается внутренней поверхностью чашки клапана, поскольку она снабжена удлинительной втулкой, соединяющей камеру внутри чашки клапана с паровым пространством за диффузором седла, где паровой поток успокоен и заторможен.

Удлинительная втулка может быть попутно использована в качестве дополнительной опоры.

В данном устройстве наружная стенка чашки подвержена боковому потоку пара, усилия которого приводят к образованию динамических, вибрационных автоколебаний, разлагающихся по трем направлениям, в том числе осевым и знакопеременным. Основная поперечная оси сила требует жесткого закрепления нижней части втулки по скользящей посадке и исключения зазора между буксой клапана и верхней его частью под кольцами; соблюдение этих условий делает клапан неработоспособным, и поэтому данная конструкция устройства не нашла места в турбиностроении и модернизации существующего парка турбин во всем СССР и СНГ.

Изобретение относится к разгруженному клапану.

Известный регулирующий неразгруженный клапан ЗАО "УТЗ" для турбин мощностью 40÷100 МВт и выше имеет боковой подвод и наиболее подвержен его влиянию с выходом из строя основных деталей (лит.4), фиг.1.

Из названных выше аналогов к заявленному изобретению по совокупности существенных признаков клапан (фиг.1) наиболее близок и является прототипом.

Клапан (фиг.1) имеет седло 1, клапан 2, втулку 3, паровую коробку 4, буксу 5, шток 6, крышку 7, втулку 8, гайку 9.

Удлиненная часть буксы 5 закрывает значительную часть клапана от бокового подвода пара.

Деконструктивный боковой подвод пара к клапану на долгие годы определил зависания, поломки, истирания, обрывы штоков 6, износ элементов крепления штоков 6, букс 5 и выход из строя других элементов системы парораспределения.

Даже малая открытая часть клапана 2, обтекаемая паровым потоком, не дает возможность стабилизировать паровой поток между клапаном 2 и седлом 1, влияя на периодические перекладки струй потока от профильных поверхностей седла к профильной поверхности клапана, и наоборот. Этот же поток при входе в седло 1 в зазоре между краем буксы 5 и седла 1 срезает сам себя.

В работе (лит.5) указано... "при боковом подводе пара полностью нарушается осевая симметрия течения при геометрически осесимметричном канале. В результате клапан испытывает большие динамические усилия по всем трем направлениям, что приводит к преждевременному износу всех подвижных деталей системы парораспределения, а в некоторых случаях и к их разрушению".

Следует признать, что боковой подвод выполнен как факт и обсуждение к изменению паровой коробки поз.4 (фиг.1), не подлежит по технологии во всем парке эксплуатируемых турбин.

Проведенные в конструкции клапана мероприятия по усилению деталей не дают положительного полного эффекта. Обрывы штоков продолжаются, частично способствует дефекту относительно большой зазор между буксой 5 и штоком клапана 6.

3. Сущность изобретения.

Задачей, на решение которой направлено заявленное изобретение, является полное исключение влияния бокового потока на клапан 1, его открытую часть в переходных режимах, а значит, исключение вибрационных нагрузок, обусловленных аэродинамической составляющей усилия потока.

Значительные резкопеременные, неравномерные по времени и контуру клапана поля давления потока ламинизируются изменением направления его движения на подходе пара к седлу и клапану.

Предложенный клапан (фиг.2) имеет седло 1, клапан 2, втулку 3, паровую коробку 4, буксу 5, шток 6, крышку 7, втулку 8, гайку 9.

В отличие от прототипа в клапане седло 1 имеет диффузорное устройство в верхней части в виде круглой, профильной, выступающей обечайки "А" (фиг.3).

Диффузорное устройство "А" защищает клапан от прямого турбулентного потока с его прямыми ударными волнами.

В своем движении боковой подвод пара изменяет направление за счет обхода диффузорного устройства "А" по всей окружности и направляется к седлу 1 сверху вниз.

Вертикально падающий вниз поток становится близко соосным оси клапана 2, равномерно заполняя пространство между буксой 5, клапаном 2 и диффузорным устройством "А".

Клапан 2, находясь в ядре потока, работает по показателям предельности и филигранности аэродинамических характеристик конструкций клапанов, например, МЭИ-ЭНТЭК (лит.6). Поток пара при движении в сочетании направления осей буксы 5, диффузорного "А" устройства, клапана 2 стабилизирует работу клапана 2 на всем диапазоне его открытия.

Исключается наличие составляющей силы на клапан 2 и шток 6 по причине ликвидации самой ее природы.

Измененное в направлении боковое движение пара на равнозначное по окружности в кольцевое пространство между наружной стенкой буксы 5, клапаном 2 и диффузорным устройством "А", близкое к осевой их составляющей, исключает паровое усилие на клапан 2, разлагающееся по всем трем направлениям, динамические нагрузки на клапанную систему, автоколебания, вибрацию, разрушение деталей клапана 2, системы парораспределения и проточной части (лит.7).

Все вышеперечисленные факторы определяют технический результат предлагаемого изобретения при реализации.

Из всех разработанных вариантов изобретения расположение диффузорного устройства "А" на седле является наиболее технологичным, конструктивным, надежным, ремонтопригодным радикальным решением.

Поток пойдет по кольцу, образованному диффузорным устройством "А" и буксой 5, который, кроме исключения биения клапана 2, стабилизует его вхождение в седло 1, минуя диффузорное устройство "А", установленное на верхней части седла 1.

Изобретение определяет надежность, работоспособность, экономичность, ремонтоспособность клапанной системы и парораспределения.

В ближайшей перспективе проявится промприменимость изобретения в части проектирования качественно нового, надежного, гасящего автоколебания потока в турбиностроении, не влияющего на расчетную работу проточной части (лит.7).

3. Перечень чертежей и иных материалов

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

Фиг.1. Представлен неразгруженный регулирующий клапан турбин 30÷100 МВт АО "УТМЗ" с удлиненной буксой, закрывающей часть клапана. На фигуре видно, как боковой поток пара воздействует на клапан.

В данном типе клапана относительные зазоры между штоком 6 и буксой 5 в 0,30-0,40 мм, определяемые длиной штока 5, а также равнозначные зазоры между клапаном 2 и буксой 5, сводят на нет мероприятия по укреплению штока 6 во втулке 8 с жестким зажимом гайкой 9.

Фиг.2. Показан клапан с диффузорным устройством "А", выполненным за одно целое с седлом 1.

Диффузорное устройство "А" по высоте перекрывает нижнюю кромку буксы 5. Как видно, пар не действует боковым направлением на клапан 2, обходя диффузорное устройство "А", выполненное в верхней части седла 1.

Фиг.3. Изображено седло с диффузорным "А" в верхней части.

4. Материалы, поясняющие сущность изобретения с кратким пояснением их содержания.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения.

На фиг.2 показано диффузорное устройство "А", выполненное в верхней части седла 1.

Продувки и проработки вариантов проектирования показали оптимальный вариант (фиг.3), который и является предметом изобретения.

Перспективность диффузорного устройства определяется дальнейшим совершенствованием конструкции клапана в новом проектировании.

В данном случае идет проработка в Специальных конструкторских бюро. Она будет заключаться в облегчении конструкции, работоспособности, надежности, снижении металлоемкости, экономичности при производстве и работе как клапана, так и всей клапанной системы парораспределения.

Источники информации

1. А.В.Шегляев и С.Г.Смельницкий. Регулирование паровых турбин. Госэнергоиздат. М., 1962 г. (стр.33-34).

2. Паровые турбины малой мощности КТЗ. М., Энергоатомиздат 1987 г. (стр.39-40, стр.125-127).

3. Устройство по SU 438794, F 01 ДП/10.08.1974.

4. Е.И.Бененсон, Л.С.Иоффе. Теплофикационные паровые турбины. Под редакцией Д.П.Бузина. М.: "Энергия" 1976 г. (стр.178-182).

5. Зарянкин А.Е., Этт В.В., Зарянкин В.А. МЭИ. Теплоэнергетика №3, 2001 г. (стр.53-57).

6. Зарянкин А.Е., Симонов Б.П. Новые регулирующие клапаны, их характеристики и опыт эксплуатации. Теплоэнергетика, 1996 №1 (стр.18-23).

7. Кисилов В.Ф., Калинин С.В., Гвоздев В.М., Карташов B.C., Емельянов Е.М. Исследование виброактивности регулирующих клапанов системы парораспреления ЦВД паровой турбины К - 200-130. // Теплоэнергетика, 2001. №11 (стр.13-20).

Изобретение относится к знергомашиностроению, в частности к турбостроению, и предназначено для регулирования расхода пара через паровую турбину. Регулирующий клапан с диффузорным устройством содержит паровую коробку с боковым подводом пара, крышку, седло, клапан, буксу, шток. Диффузорное устройство выполнено в виде защитной кольцевой обечайки. Эта обечайка расположена в верхней части седла с возможностью изменения направления движения бокового потока пара на направление по оси клапана и седла. Изобретение направлено на повышение надежности, долговечности, экономичности и ремонтоспособности клапанной системы и парораспределения. 3 ил.

Регулирующий клапан с диффузорным устройством, содержащий паровую коробку с боковым подводом пара, крышку, седло, клапан, буксу, шток, отличающийся тем, что диффузорное устройство выполнено в виде защитной кольцевой обечайки, расположенной в верхней части седла с возможностью изменения направления движения бокового потока пара на направление по оси клапана и седла.