ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНАЯ МНОГОСТУПЕНЧАТАЯ ПАРОВАЯ ТУРБИНА Российский патент 2006 года по МПК F01D5/08 

Изобретение относится к паротурбиностроению и может быть использовано для охлаждения высокотемпературного ротора проектируемых и действующих паровых турбин.

Известна высокотемпературная многоступенчатая паровая турбина, включающая корпус с передним концевым уплотнением и сопловыми лопатками первой ступени, диафрагмы с уплотнениями и ротор, установленный в корпусе и снабженный дисками с рабочими лопатками и отверстиями для перепуска пара. В этой конструкции движение более холодного пара в направлении от диафрагмы второй ступени к переднему концевому уплотнению обеспечено за счет подвода охлаждающего пара извне (B.C.Шаргородский, С.Ш.Розенберг, Л.А.Хоменок, В.Л.Шилин, Расчетно-экспериментальные исследования различных вариантов охлаждения роторов среднего давления турбины К-300-240 ЛМЗ, Труды ЦКТИ, 1989, вып.257, с.49, рис.2).

Недостатком известной паровой турбины является необходимость системы подвода охлаждающего пара, усложняющей конструкцию.

Известна высокотемпературная многоступенчатая паровая турбина, включающая корпус с передним концевым уплотнением и сопловыми лопатками первой ступени, диафрагмы с уплотнениями и ротор, установленный в корпусе и снабженный дисками с рабочими лопатками и отверстиями для перепуска пара. В этой конструкции более холодный пар забирается после рабочих лопаток первой ступени, а его движение в перепускных отверстиях диска первой ступени в направлении от диафрагмы второй ступени к переднему концевому уплотнению обеспечивается за счет того, что отверстия в первом диске выполнены наклонными и создают насосный эффект (роторы французских фирм «РАТО-Шнейдер» и СЕМ) (Ю.Л.Израилев, А.Ш.Лейзерович, Е.Р.Плоткин, Охлаждение роторов мощных паровых турбин. Энергомашиностроение, 1972, N10, с.44, рис.1, а).

По совокупности признаков это решение является наиболее близким к предлагаемому и принято за прототип.

Недостатками известного устройства, принятого за прототип, является то, что наклонные (дополнительные) отверстия нельзя выполнить для роторов, уже находящихся в эксплуатации, из-за большой напряженности первого диска; кроме того, при увеличении суммарного проходного сечения сопловых лопаток из-за износа или реконструкции в первой ступени растут реактивность и давление за сопловыми лопатками, резко увеличивается корневая протечка горячего пара, «пережимающего» холодный пар по давлению в наклонных перепускных отверстиях, в них установится течение в прямом направлении - от переднего концевого уплотнения к диафрагме второй ступени, горячий пар захватит оба уплотнения - переднее концевое и диафрагменное, в итоге растут деформации от ползучести и быстро накапливается остаточное искривление ротора.

Заявляемое решение позволяет повысить эффективность охлаждения ротора путем гарантированной организации обратного течения пара утечек в перепускных отверстиях диска первой ступени - в направлении от диафрагмы второй ступени к переднему концевому уплотнению; при этом в переднее концевое и диафрагменное уплотнение вместо горячего пара корневой утечки за сопловыми лопатками поступает более холодный пар за рабочими лопатками первого диска, даже при увеличении проходного сечения сопловых лопаток из-за износа или реконструкции, что приводит к повышению надежности и экономичности паровой турбины.

Предложена высокотемпературная многоступенчатая паровая турбина, включающая корпус с сопловыми лопатками первой ступени и ротор, снабженный дисками с рабочими лопатками и отверстиями для обратного перепуска пара, при этом отношение суммарного проходного сечения рабочих лопаток к суммарному проходному сечению сопловых лопаток в первой ступени находится в пределах:

2,1·(1-L/D)>F_p/F_c>1,6·(1-L/D),

где F_p - суммарное проходное сечение рабочих лопаток;

F_c - суммарное проходное сечение сопловых лопаток;

L - высота рабочих лопаток;

D - средний диаметр рабочих лопаток.

Изобретение иллюстрируется чертежом, где на фиг.1, 2, 3 изображена высокотемпературная многоступенчатая паровая турбина с вариантами схемы утечек. На фиг.1 изображена расчетная схема утечек в обычной турбине, на фиг.2 - схема утечек при увеличенных проходных сечениях сопловых каналов, на фиг.3 - схема утечек в турбине с предлагаемым соотношением проходных сечений сопловых и рабочих каналов первой ступени, на фиг.4 изображен разрез по среднему диаметру сопловых лопаток, на фиг.5 - разрез по среднему диаметру рабочих лопаток первого диска.

Высокотемпературная многоступенчатая паровая турбина включает корпус 1 с сопловыми лопатками 2 первой ступени и передним концевым уплотнением 3, ротор 4, установленный в корпусе 1 и снабженный дисками 5 с отверстиями 6 для перепуска пара и рабочими лопатками 7. В корпусе 1 установлены также диафрагмы 8 второй и последующих ступеней с направляющими лопатками 9 и уплотнениями 10. Сопловые лопатки 2 и рабочие лопатки 7 первого диска 5 вместе образуют первую ступень турбины; направляющие лопатки 9 первой диафрагмы 8 и рабочие лопатки 7 второго диска 5 образуют вторую ступень и т.д.

Каналы 11 между сопловыми лопатками 2 характеризуются площадью проходного сечения с суммарным значением F_c. Эта площадь определяется высотой сопловых лопаток и величиной горл каналов, с первоначальным размером О_с1, который при эксплуатации турбины через некоторое время увеличится до O_c2 из-за износа выходных кромок 12. Заметный износ выходных кромок 12 сопловых лопаток 2 характерен для всех действующих турбин. При реконструкции с целью увеличения проходного сечения сопловых лопаток 2 для увеличения расхода пара и роста мощности турбины может быть выполнена подрезка кромок 12. Это распространенный способ увеличения расхода и мощности турбины.

Каналы 13 между рабочими лопатками 7 со средним диаметром D характеризуются площадью проходного сечения с суммарным значением F_p. Эта площадь каналов 13 определяется их высотой L и величиной горл О_р, т.е. F_p=О_р·L.

Для предлагаемой турбины размеры горл O_c1, O_p1 целесообразно задать так, чтобы обеспечить соотношение проходных площадей

2,1·(1-L/D)>F_p/F_c>1,6·(1-L/D),

обеспечивающее небольшую отрицательную реактивность в первой ступени и обратное течение пара утечек в перепускных отверстиях диска первой ступени - в направлении от диафрагмы второй ступени к переднему концевому уплотнению. Выход из указанного диапазона за нижнее его значение изменит направление потока через перепускные отверстия 6 с обратного на прямое с уже описанными негативными последствиями. Выход из диапазона за верхнее значение даст существенно отрицательную реактивность, чреватую снижением экономичности.

Расчеты, проведенные ОАО «НПО ЦКТИ» для ротора среднего давления турбины К-3 00-240 ХТГЗ на Ставропольской ГРЭС, показали, что при реактивности в первой ступени от -5% до 0% максимальная температура ротора составляет ˜505°С, а при реактивности >2% поднимается до 537°С.

Для турбины, уже находящейся в эксплуатации, из-за износа кромок 12 сопловых лопаток 2 или принудительного раскрытия каналов 11 при реконструкции характерно увеличение площади F_c. Чтобы остаться в указанном диапазоне, нужно увеличить площадь F_p или уменьшить F_c. Для этого требуется замена сопловых или рабочих лопаток первой ступени или подрезка выходных кромок 14 рабочих лопаток 7.

Соотношение суммарных проходных сечений направляющих и рабочих лопаток ступени можно пояснить следующим образом.

Уравнение расхода через решетки направляющих и рабочих лопаток турбинной ступени может быть записано в следующем виде:

где ϕ, F, γ - коэффициенты расхода, суммарные проходные сечения лопаток, плотность пара за ними, ρ - степень реактивности на среднем диаметре, с₀ - скорость пара, рассчитанная по располагаемому перепаду на ступень, w₁ - относительная скорость входа на рабочие лопатки. Из условия равенства расходов, считая ϕ_c=ϕ_р и учитывая, что получим:

Отношение плотностей может быть представлено в виде: (γ₁/γ₂)²≈1+ρ·М².

При обычных для первой ступени значениях ρ и М можно считать γ₁/γ₂≈1. Учитывая малые значения ρ и М, запишем Тогда

Считая получим

где

Степени реактивности на среднем ρ и корневом ρ_к сечениях при не слишком длинных лопатках связаны между собой соотношением

где

L и D высота и средний диаметр лопатки. При ρ_к=0, считая cos²α₁≈1, получим

F_ρ/F_с=λ(1-L/D).

При ρ_к=0 коэффициент λ=(1,6-1,7), при ρ_к=-0,02 λ=(2,0-2,1).

При работе турбины пар проходит через сопловые лопатки 2, установленные в корпусе 1, затем основной поток идет через рабочие лопатки 7 диска 5 первой ступени, затем через направляющие лопатки 9 диафрагмы 8 второй ступени и через ее рабочие лопатки и т.д. Попутно происходят утечки в корневые межвенцовые зазоры: высокотемпературная (горячая) утечка перед рабочими лопатками 7, а утечка пониженной температуры (холодная) за рабочими лопатками 7 первого диска 5 (прочие утечки не показаны).

Рассмотрим три возможных варианта схемы утечек.

1. Новая турбина (фиг.1) без охлаждения по прототипу или по предлагаемому изобретению. Каналы 11, 13 сопловых 2 и рабочих 7 лопаток имеют исходные размеры горл O_c1 и О_р (фиг.4, 5). Обычно первая ступень имеет малую положительную степень реактивности, и в корневом сечении давление пара перед рабочими лопатками 7 немного больше, чем за ними. Практически вся горячая утечка идет в переднее концевое уплотнение 3, а практически вся холодная утечка идет в уплотнение 10 первой диафрагмы 8. При этом соотношение F_p/F_c<1,6·(1-L/D), а температура пара, омывающего ротор 4 в переднем концевом уплотнении 3, близка к температуре пара перед турбиной, а в уплотнении 10 диафрагмы 8 второй и последующих ступеней существенно ниже.

Применение охлаждения по прототипу или по предлагаемому изобретению в этом случае позволит направить холодную протечку через отверстие 6 диска 5 в сторону переднего концевого уплотнения 3, что улучшит условия работы ротора 1.

2. Турбина (фиг.2) с увеличением до О_c2 горла каналов 11 сопловых лопаток 2 из-за накопившегося износа выходных кромок 12 или после реконструкции с их подрезкой, когда F_p/F_c≪1,6·(1-L/D), реактивность в первой ступени и давление за сопловыми лопатками 2 увеличиваются. Резко растет горячая утечка: и в переднее концевое уплотнение 3, и через перепускные отверстия 6 диска 5 первой ступени в уплотнение 10 первой диафрагмы 8. Резко усиливается нагрев этой зоны ротора 4; хуже того, горячая утечка пойдет дальше по поверхности ротора 4 - к диску 5 второй ступени, к диафрагме 8 третьей ступени и т.д. Т.е. в зоне высокой температуры окажется не только часть ротора, расположенная в зоне переднего уплотнения, но и в зоне дисков и диафрагм нескольких ступеней. В результате этого значительно быстрее развивается процесс ползучести металла и накапливается остаточное искривление ротора.

Применение известного решения в этой ситуации не спасает - давление пара горячей утечки остается достаточно большим, чтобы «пережать» холодную утечку в отверстиях 6 диска 5 и направить ее к уплотнениям 10 диафрагм 8.

3. Турбина (фиг.3) с увеличением до О_с2 горла каналов 11 сопловых лопаток 2 из-за износа или реконструкции (фиг.4) и с увеличением до О_р2, согласно предлагаемому изобретению, горла каналов 13 рабочих лопаток 7 первого диска 5 за счет подрезки их выходных кромок 14 или (при установке новых лопаток) за счет поворота выходных кромок профилей или увеличения их шага. Горло каналов 13 увеличено так, чтобы обеспечить соотношение

2,1·(1-L/D)>F_p/F_c>1,6·(1-L/D),

создающее небольшую отрицательную реактивность в первой ступени. При этом давление пара холодной утечки (за диском 5) будет немного больше давления пара горячей утечки (перед диском 5). Это обеспечит устойчивое течение через отверстие 6 диска 5 в направлении от диафрагмы 8 второй ступени к переднему концевому уплотнению 3, что позволит минимизировать и даже устранить горячую утечку, «пережав» ее холодной утечкой из отверстия 6.

В результате в концевое уплотнение 3 пойдет более холодный пар (благодаря обратному течению через отверстие 6 диска 5 первой ступени), а в уплотнение 10 диафрагмы 8 и к диску 5 второй ступени (и далее в уплотнение и к диску третьей ступени и т.д.) пойдет только пар холодной утечки. Эти меры резко снизят температуру ротора 4, улучшат условия его работы и позволят избежать накопления остаточного искривления.

Изобретение относится к области теплоэнергетики и может быть использовано для охлаждения роторов высокотемпературных паровых турбин. Высокотемпературная многоступенчатая паровая турбина включает корпус с сопловыми лопатками первой ступени и ротор, снабженный дисками с рабочими лопатками и отверстиями для перепуска пара. Отношение суммарного проходного сечения рабочих лопаток к суммарному проходному сечению сопловых лопаток в первой ступени находится в пределах, защищаемых настоящим изобретением. Изобретение позволяет повысить эффективность охлаждения ротора турбины путем гарантированной организации обратного течения пара утечек в перепускных отверстиях диска первой ступени в направлении от диафрагмы второй ступени к переднему концевому уплотнению. 5 ил.

Высокотемпературная многоступенчатая паровая турбина, включающая корпус с сопловыми лопатками первой ступени и ротор, снабженный дисками с рабочими лопатками и отверстиями для перепуска пара, отличающаяся тем, что отношение суммарного проходного сечения рабочих лопаток к суммарному проходному сечению сопловых лопаток в первой ступени находится в пределах:

2,1·(1-L/D)>F_p/F_c>1,6·(1-L/D),

где

F_p - суммарное проходное сечение рабочих лопаток;

F_c - суммарное проходное сечение сопловых лопаток;

L - высота рабочих лопаток;

D - средний диаметр рабочих лопаток.